[发明专利]石墨烯改性水性聚氨酯及其制备方法

说明书

本发明公开了一种石墨烯改性水性聚氨酯及其制备方法。本发明以八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性氧化石墨烯、八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性碳纳米管，二者能够通过含有活性氢基团与水性聚氨酯的羟基键合，以提高同聚氨酯分子主链的结合力；由于氧化石墨烯、碳纳米管的复配掺杂，弥补了聚氨酯不足的力学性能。

技术领域

本发明涉及水性聚氨酯的技术领域，尤其涉及石墨烯改性水性聚氨酯及其制备方法。

背景技术

聚氨酯自20世纪40年代后期开始发展，由科学家Otto Bayer等研究者利用含二或多异氰酸酯化合物(一NCO)和二或多经基(一OH)化合物合成了一种新型聚合物，此聚合物的成功开发标志聚氨酯的发展。而水性聚氨酯的研究始于1942年，德国科学家通过快速搅拌的方式依次借助助剂、二元胺实现了一NCO化合物在水中的分散，成功得到了水基PU。

水性聚氨酯(WPU)发展至今，欧洲成为了全球最大的WPU消费市场，约占全球总消费的35%，而我国仅占有率为10%，应用领域集中在水性涂料、水性胶茹剂、水性密封剂、水性弹性体。据估算，在过去的2015年，无论是利润还是销售量上，涂料市场中的最大被需求涂料为水性聚氨酯，预计到2020年，WPU仍将是应用市场中使用量最大的水性涂料，其在汽车、室内装修等终端应用领域中的消费量也将持续增加。

现有技术中，水性聚氨酯的漆膜力学性能较差。

发明内容

有鉴于此，本发明一方面提供一种石墨烯改性水性聚氨酯，该石墨烯改性水性聚氨酯具有较优良的力学性能。

本发明的石墨烯改性水性聚氨酯，其由包含水性聚氨酯，和以水性聚氨酯质量为100wt%计0.1～0.5wt% 八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性氧化石墨烯、0.05～0.25wt% 八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性碳纳米管的原料共混分散而成；

其中，八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性氧化石墨烯由氧化石墨烯、占氧化石墨烯质量1～5wt%的八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷共混分散而成；八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性碳纳米管由碳纳米管、占氧化石墨烯质量1～5wt%的八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷共混分散而成。

需要说明的是，此处术语“共混”并非表明各原料组分之间仅仅是物理混合的关系（即通过分子的热运动进行扩散的状态），而包涵原料组分之间通过化学键合作用的反应，共混仅仅表明一种制备的工艺而已。具体而言，对于八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性氧化石墨烯，八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷含有的氨基同氧化石墨烯带有的羧基通过脱去水分子产生键合作用；同理，碳纳米管亦然。对于石墨烯改性水性聚氨酯而言，八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性氧化石墨烯、八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷改性碳纳米管同水性聚氨酯残留的羟基等反应产生键合。

上述氧化石墨烯（GO）可采用石墨通过公知的hummers法，于此不详述。

八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷的获得方式可参照现有方式来，例如将9 mL去离子水、4 mL丙醇、1 mL丁腈和0.2 mL氨水一次加入到烧瓶中得到非均相溶液，之后向烧瓶中加入22.0 g的γ-氨丙基三乙氧基硅氧烷，并将溶液在搅拌状态下升温至50℃。12h之后将析出的白色结晶物POSS过滤并用冰甲醇洗涤3次，最后80 0C真空干燥24 h，即合成。反应式如下：

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本发明以八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷分别对氧化石墨烯、碳纳米管进行改性，由于笼型聚倍半硅氧烷是一种多面体低聚倍半硅氧烷的纳米结构杂化体系，其相容性是介于无机相、有机相之间，能避免八氨丙基笼型聚倍半硅氧烷同无机相的氧化石墨烯、碳纳米管的结合难的问题。

本发明采用改性碳纳米管、改性石墨烯二者的复配，相比于二者单独使用，能够有效提高水性聚氨酯的力学性能。

优选地，所述氧化石墨烯的层数为8层以下。