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聚氨酯自愈合材料的研究进展

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2018年第33卷第1期 2018.Vo1.33 No.1 聚氨酯工业 P0LYURETHANE INDUSTRY 聚氨酯自愈合材料的研究进展 周成飞 (北京市射线应用研究中心辐射新材料北京市重点实验室 北京100015) 摘要:聚氨酯自愈合材料是可以进行自我修复以恢复力争性能的一种功能聚氨酯材料。主要介 绍了Diels—Alder化学方法、超分子化学方法、微胶囊化方法和光化学方法制备聚氨酯自愈合材料的 研究进展。 关键词:聚氨酯;自愈合材料;Diels-Alder反应;超分子化学;微胶囊化;光化学 中图分类号:TQ 323.8 文献标识码:A 文章编号:1005—1902(2018)01—0001—04 含有热可逆的DA键,从而表现出优异的自愈合 性能。 聚氨酯(PU)自愈合材料就是利用聚氨酯材料 的自我感知能力对微裂痕产生感应,进而进行自我 修复以恢复力学性能的一种重要功能聚氨酯材料, 在航天航空、电子、建筑等诸多领域具有广泛的应用 Chen等 基于DA反应制备了自愈合的聚8- 己内酯(PCL)基形状记忆聚氨酯,采用环化PCL、六 亚甲基二异氰酸酯(HDI)及四羟基交联剂,通过导 前景。人们为了达到自愈合的目的,在聚氨酯的合 成方面不懈努力地开展了不少研究。为此,本文主 要从合成方法上就聚氨酯自愈合材料的研究进展作 一入具有呋喃和马来酰亚胺之间动态共价键的途径制 备了交联聚氨酯。结果表明,交联聚氨酯的形状记 忆性能不受结晶度的影响,但与交联程度有关,这种 介绍。 1 Diels-Alder化学方法 交联聚氨酯具有良好的自愈合能力。 Wei等_5 则基于DA反应制备了三呋喃二醇 (TF)改性的自愈合聚氨酯。高度交联的聚氨酯硬 度高但韧性差,通过三呋喃二醇改性可以改善其力 学性能。具体是先合成端羟基聚氨酯,然后通过端 羟基聚氨酯与二甲苯双马来酰亚胺(BMI)反应而获 得交联的聚氨酯(ITB.PU),其软段质量分数为 11.5%。结果发现,DA反应在50.3℃下发生,rDA 反应在69.6 oC发生。在80℃加热6 h,ITB-PU的 Diels.Alder反应(DA反应)是双烯体与亲双烯 体环加成可逆反应,由获1950年诺贝尔化学奖的 Diels和Alder师生于1928年发现。由于DA反应 的热可逆性好,产率高,副反应小,所以特别适合制 备热刺激自修复聚合物材料。以呋喃为双烯体、马 来酰亚胺为亲双烯体的DA逆反应(rDA)可在<100 qC进行,因此,这类DA反应在聚氨酯自愈合材料的 制备中深受人们的重视 。 Zhong等 曾尝试合成了含DA键的聚醚一马来 酰亚胺基交联自愈合聚氨酯(C—PEMIPU—DA),研究 自愈率是43.91%;热保存12 h后,自愈率可 达80.02%。 另外,Fu等 还基于DA反应制备了含DA键 的聚氨酯/碳纳米管(CNT)的新型热可逆自愈合聚 氨酯复合膜。结果表明,当CNT的质量分数为 是在无苯条件下通过糠胺官能化预聚体(聚合 MDI/PBA一1000)与聚醚-马来酰亚胺的反应而实现 的。结果表明,C.PEMIPU-DA表现出有趣的热可逆 1.96%~4.76%时,这种复合膜具有优异的热稳定 性,其初始分解温度是283~298 oC。在这种复合膜 中存在的多重马来酰亚胺基团使呋喃环和马来酰亚 胺基团之间发生DA反应的可能性更大,从而提高 和自愈合性能。Yu等 通过端呋喃基预聚物和双 马来酰亚胺之间的反应合成了一种基于DA反应的 自愈合聚氨酯,研究了基于DA反应的自愈合聚氨 酯的结构和愈合行为。结果发现,制备的聚氨酯中 了自愈合效率。Zhang等 则研究开发了一种由核 ·2· 聚氩酯一r.qI< 壳铜纳米线网络和可愈合聚氨酯护套组成的自愈合 柔性透明导体。含呋喃环的聚氨酯预聚物是通过 DA反应与 7、『,Ⅳ .(4,4 .亚甲基二苯基)双马来酰亚 胺交联以形成可愈合的聚合物网络。 2超分子化学方法 利用超分子化学,即主一客体化学方法来制备自 愈合材料,是聚合物自愈合材料合成研究的又一个 图1 聚氨酯/AT纳米复合材料的形态结构及自愈合过程 重要方向。因为在聚氨酯的化学结构巾氢键相互作 用是一种最重要的主.客体相互作用。因此,人们最 常考虑利用氢键相互作用来实现聚氨酯材料的白 愈合。 Kim等 曾用聚四氢呋喃二醇(PTMG)和异佛 尔酮二异氰酸酯(IPDI)先合成了丙胺封端的聚氨 酯预聚物,再由此合成了具有高脲基和氨基甲酸酯 基含量的聚氨酯脲,脲基和氨基甲酸酯基可形成氢 键,就可促进自愈合。结果发现,热自愈合性能随着 聚氨酯脲分子量的降低而变得更明显。而Lin等 则通过甲基丙烯酸酯封端的聚醚氨酯预聚物(PU— PEGMA)与含有2.脲基.4一嘧啶(UPy)基元的2一(3一 (6一甲基-4.氧一1,4.二羟基嘧啶).脲基)甲基丙烯酸 乙酯(SCMHBMA)共聚,制得了一类新型的具有分 子间四重氢键作用的聚氨酯水凝胶。结果表明,所 制备的聚氨酯水凝胶具有很好的自愈合性能。 Zhang等。。娃 ~~‘  采用甲苯二异氰酸酯(TDI)为硬 段、聚醚为软段合成了一种新的聚氨酯,并研究了硬 . 段含量对聚氨酯自愈合能力的影响。结果表明,室 温下聚氨酯的自愈合能力随着硬段含量的增加而降 低,当达到50%时就丧失,并将这种聚氨酯的自愈 合能力归因于可逆的氢键和软段在室温下的流动 性。Xiao等 “ 还通过增加氢键密度或导人其他可 逆交联来改善聚氨酯的自愈合性能,并据此制备了 一种环保型且可自愈合的水性聚氨酯涂料 结果发 现,这种聚氨酯涂料可在100 下经18 h实现自 愈合。 另外xu等 还采用溶液共混法制备了一系列 自愈合聚氨N/凹凸棒土(AT)纳米复合材料。结果 表明,当AT含量较低时,AT在聚氨酯基体巾可达 到均匀分散。加入适量的氟能提高材料的拉伸性 能,AT与聚氨酯基体之间形成了丰富的氢键。随着 AT的加入,试样在外力作用下的变形受到抑制。同 时,在愈合过程中划痕仍可完成闭合(网1)。 3微胶囊化方法 微胶囊化方法的一般原理是微胶囊在基体呈 裂纹时会破裂,释放m的愈合剂通过毛细作用到之 纹面,愈合剂接触到埋在基体里面的催化剂引发募 合从而修复裂纹。因为微胶囊的制备比较容易,夏 加容易实现 【 业化,冈此在聚氨酯材料的研究中, 较受人重视。。 J。 Chaudhari等 曾将含有天然白愈合剂的聚酲 胺-氨基聚脲微胶囊混入聚氨酯涂料中,制得自愈萑 涂料。研究发现,这种聚氨酯涂料具有优良的防眉 自愈性。Chung等。。 则采用原位乳液聚合方法带 备了两种不同的脲醛树脂(PUF)的微胶囊,胶囊f} 含有聚二甲基硅氧烷(PDMS)/铂催化剂(Pt)共 物或交联剂,将这种微胶囊加入聚氨酯基质巾,制 可自愈合的聚氨酯材料。 Koh等 还用聚酯二醇一甲苯二异氰酸酯(DE TDI)预聚体和扩链剂1,4一丁二醇等为原料,经超声 波作川下的界面聚合,制备了自修复防腐涂料用if, 含异山梨醇衍生物的可再生聚氨酯微胶囊。制得 微胶囊尺寸为11~38 LLm,微胶囊中异山梨醇衍生 物的含量约为40%~45%。结果表明,这种自愈 涂料防腐涂料显示出明显的防锈性,并与异山梨醇 衍生物的含量密切相关。Koh等¨71还制备了自冠 合涂料用聚氨酯微胶囊,这种包含水性聚氨酯涂斗盆 的微胶囊是在乳液中由二醇一二异氰酸酯预聚物币I 1,4-丁二醇作为扩链剂经界面聚合而得到。测试 果表明,球形胶囊的平均直径为39~72 m,平均责 厚为3.8~5.5 m。胶囊中的愈合剂含量和合成 率分别约为44%~59%和31%~67%。另外,通过戈l 痕试验证实,这些材料依靠涂层中的PU胶囊而 得了很好的自愈合能力。 Kardar¨ 制备了南IPDI 和聚氨酯壳组成 微胶囊,并用于自愈合涂料。测试结果表明,微胶襞 第1期 周成飞·聚氨酯自愈合材料的研究进展 ·3· 呈光滑的球形颗粒,直径为1.5至1.7 m。将微胶 囊分散在丙烯酸三聚氰胺清漆中,能提高涂层的耐 划伤性,说明这些涂层具有自愈特性。 4光化学方法 6结束语 聚氨酯自愈合材料作为一种新型聚氨酯材料, 在航天航空、电子、建筑等方面呈现了广阔的应用空 间。迄今为止,人们主要在Diels.Aider化学方法、超 分子化学方法、微胶囊化方法、光化学方法等制备方 在自愈合聚氨酯的合成中,光化学方法也比较 常见。Ling等¨ 曾合成了一种新的自愈合聚氨酯, 它是由IPDI、聚乙二醇(PEG)和光可逆基元5,7一双 (2.羟乙氧基).4一甲基香豆素所构成。这种材料在 350 nm和254 nm的连续紫外辐照下可反复地发生 交联和解交联,即通过可逆的光聚合和光裂解而实 现自愈合的。 Jin等 则合成了一种近红外(NIR)诱导自愈 合的聚氨酯/石墨烯纳米复合材料。具体是用 PTMG、4,4 .二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)及少量 (质量分数0~1%)改性石墨烯(MG)制得,而MG 是用苯基异氰酸酯化学改性的氧化石墨烯(GO), 在苯肼的存在下进行还原。其中,MG具有增强填 料和光吸收介质的双重作用。结果表明,聚氨酯/ MG纳米复合材料能显著增强杨氏模量及近红外吸 收。这种纳米复合材料的自愈合行为是通过高分子 链的分子间扩散实现的,由NIR吸收所产生的热能 可加速这种分子间扩散。用0.75%的MG时,材料 的自愈合效果是最明显的。 5其他方法 Xu等 曾合成了一种基于二硫键的新型自愈 合形状记忆聚氨酯。结果表明,这种材料加热到8O ℃以上就可发生几乎完全的自愈合,这种自愈合是 通过同时激活形状记忆效应和二硫键交换反应来实 现的。Yang等 制备了另一种含二硫的自愈合硬 质聚氨酯弹性体,它是含二硫的聚氨酯脲网络,其 中,芳香二胺用于建立HDI三聚体及脂肪族预聚物 分子链的连接,这样使得在一个良好交联网络和非 交联结构之间容易发生转换。 Yuan等 2 制备了一种热可逆性烷氧基胺作交 联剂的自愈合聚氨酯弹性体,它是由专门合成的二 羟基烷氧基胺与HDI三聚体和PEG反应而成。因 为烷氧基胺作为合成聚氨酯的交联剂,因此,烷氧基 胺中C—N键的热可逆裂变/重组使聚氨酯分子链 在一定温度下可重复交联和解交联,从而使裂纹 愈合。 法上进行探索,如何实现聚氨酯材料的自愈合性能。 随着这方面研究的不断深人,今后必将在制备和应 用上取得更大的发展。 参考文献 [1]杨洁,范建凤,索习东,等.基于Diels—Alder反应的聚氨酯自修 复材料的设计及研究进展[J].聚氨酯工业,2017,32(4):4-7. 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Keywords:polyurethane;self-healing material;Diels-Alder reaction;supramolecular chemistry;micro— encapsulation;photochemistry 作者简介周成飞 男,1958年出生,研究员,主要从事高分子功能材料及其射线改性技术研究。  ’l 一。” ……I-……l-‘。” ’-_l¨ ’ ‘l¨_| ……· …l-。。¨¨¨。 【l¨¨ “… ‘ 。。‘ ¨’”… … · 。 lI 。¨¨¨’ _llJ ’。……。 ¨’ l-……l 沫产品可以符合VDA 278、Oeko—Tex和LGA标准。 其中,Voralux HL515羟值39.5—45 mgKOH/g,黏度700 ~1000 mPa·s(25℃);Voralux HL525固含量25%,可用于制 陶氏公司推出4种新型低散发性聚合物多元醇 备聚氨酯块泡,其羟值为36~41.5 mgKOH/g,黏度1150— 陶氏聚氨酯公司推出了4种用于聚氨酯软泡的含苯乙 1550 mPa·s;Voralux HL500的固含量较高,可用于制备块 烯和丙烯腈接枝单体的聚合物多元醇系列产品。 泡,其羟值26.5~30.5 mgKOH/g,黏度25℃下为3000~6000 mPa·s;Voralux HL 510羟值为42—46 rlfgKOH/g,黏度700~ 通常的聚合物多元醇含有残余单体。在新Voralux 900 mPa·s。 HL500系列产品中,残余单体量很低,确保符合欧盟生态标 该公司确认,该HL系列多元醇下一步将在不同地区进 志认证和汽车行业标准。使用HL500系列多元醇生产的泡 行推广。 

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