[发明专利]一种高力学强度GO/TPU原位聚合方法

说明书

本发明属于高分子复合材料合成技术领域，具体涉及一种高力学强度GO/TPU原位聚合方法。该原位聚合方法具体实施工艺为：以氧化石墨烯、聚丙二醇‑4000、甲苯二异氰酸酯、1,4‑丁二醇为原料，采用冰乙酸及双十烷基二甲基溴化铵对氧化石墨烯进行改性后，与聚丙二醇‑4000结合形成改性氧化石墨烯/聚丙二醇‑4000共混物，再与甲苯二异氰酸酯、1,4‑丁二醇原位聚合得到高力学强度的GO/TPU。经本发明方法制得的GO/TPU材料具有优异的力学强度，可以在机械工业等领域成为性能更优异的替代品。

技术领域

本发明属于高分子复合材料合成技术领域，具体涉及一种高力学强度GO/TPU原位聚合方法。

背景技术

高分子材料因其良好的性能已广泛应用于各种领域，特别是在机械工业等需要众多结构材料的领域中。用性能良好、质轻、加工便利的高分子材料去替代金属、木材、陶瓷等已成为了现今材料领域的研究热门。具有高力学强度的高分子材料拓宽了材料的选用范围，使传统机械产品逐步完成了从高消耗、高质量向轻便、耐腐蚀、低成本的转变。

热塑性聚氨酯弹性体简称TPU，又称PU热塑胶，是一种由低聚物多元醇软段与二异氰酸酯、扩链剂硬段构成的线性嵌段共聚物。TPU分子中同时含有柔性软链段和刚性硬链段，软段使TPU具有较好的弹性、柔顺性及耐寒性，硬段则使得TPU具有较高的硬度、弹性模量和热稳定性。硬段分子间氢键以及大分子间的轻度交联使得TPU存在强物理交联结构，具有较强的物理强度，同时TPU加工性能良好，这使得TPU在汽车部件及机器零件、运动鞋底、电线电缆、软管、薄膜及薄板、织物、建筑、食品包装等领域有着广泛的应用前景。但在力学强度需求较高的领域中，现有方法合成的TPU的力学强度不能够满足要求，这就使得高力学强度TPU的合成方法成为了研究热点。

石墨烯是由碳原子构成的具有单原子层厚度的二维晶体，由于其独特的二维共轭结构，石墨烯展现出了诸多突出的物理化学性质，包括巨大的比表面积、优异的电学、热学、光学和力学性能。美国哥伦比亚大学Hone研究组利用纳米压痕技术首次测得石墨烯的断裂强度为（130±10）GPa，杨氏模量为（1.0±0.1）TPa，是迄今为止机械强度最高的材料，且在外力作用下石墨烯膜有较大的变形范围。许多研究已经证明，将石墨烯均匀地分散到到高分子材料中可以大大提高其力学强度，获得更泛适用范围的材料。当大规模应用时，石墨烯在加入高分子材料时容易发生团聚，无法均匀分散，另外现行条件下石墨烯无法大批量生产，为此本发明采用石墨烯的衍生物氧化石墨烯作为改性剂。氧化石墨烯的表面有较多有机基团，可以更好地分散在高分子材料中从而提升其力学强度。但氧化石墨烯在溶剂中的分散性差易团聚，将氧化石墨烯在合成过程中作为改性剂添加就必须对氧化石墨烯进行功能化改性。现有研究中，将改性氧化石墨烯与TPU或溶解或熔融后简单物理共混来提高性能有着上升阈值，而且往往需要较大氧化石墨烯的用量，这提高了成本限制了大规模工业应用。

本发明采用冰乙酸及双十烷基二甲基溴化铵作为氧化石墨烯的改性剂，与常见酸处理氧化石墨烯方法（如溴乙酸对氧化石墨烯进行羧基化改性）机理不同，本发明是利用冰乙酸的无水性促使反应向生成酯的方向进行，可以避免TPU合成过程中因GO的羟基与异氰酸酯基的端基封锁反应而导致所得产物的分子量降低。双十烷基二甲基溴化铵与GO插层反应，以提高其在TPU单体中的分散性，避免因改性GO的加入而产生团聚现象。

在合适的酸碱环境下，改性的氧化石墨烯的端部亲脂性使得体系向热力学稳定状态转换，从而使得改性氧化石墨烯与TPU单体聚丙二醇-4000通过伦敦力紧密结合，与之前多有研究的改性氧化石墨烯与TPU成品简单物理共混相比，这种因改性氧化石墨烯与单体之间的化学力结合再合成TPU的方法可以使合成的功能TPU结构更加规整，氧化石墨烯的分布更均匀，在更少改性氧化石墨烯的添加量情况下提供更优异的性能提升。