摘 要

本文首先采用盐酸氟化锂法剥离MAX相制备了MXene，此法合成了MXene具有一定的亲水性基团—OH，将其用TDI进行改性，使之具有一定的亲油性，再采用原位聚合法成功地制备出TDI-MXene/阴离子型水性聚氨酯杂化乳液。利用FT-IR对改性前、后MXene的结构以及TDI-MXene/WPU预聚物的结构进行表征，并借助电子拉力机、邵氏硬度仪和紫外-可见分光光度计（UV-vis）对TDI-MXene/WPU复合材料的力学性能和紫外屏蔽性能进行表征。结果表明：TDI中的—NCO能与MXene片层中的—OH进行反应，改性后的MXene片层间有—NCO和—OH基团，能与WPU进行原位聚合；MXene的加入能使水性聚氨酯的拉伸强度和硬度提高，而断裂伸长率有所降低；在保证可见光透过率不受太大影响的前提下，TDI-MXene的加入能提高材料的紫外线屏蔽率。

关键词：MXene TDI-MXene 水性聚氨酯 原位聚合法 力学性能

紫外屏蔽

Preparation of Modified MXene/Anionic Waterborne Polyurethane Hybrid Emulsion

Abstract

In this paper, MXene was prepared by stripping MAX phase with lithium fluoride and hydrochloride. MXene was synthesized by this method which has a certain hydrophilic group—OH. It is modified with TDI to make it have certain lipophilicity. The TDI-MXene/anionic waterborne polyurethane hybrid emulsion was successfully prepared by a position polymerization method. The structure of the modified MXene before and after modification and the structure of the TDI-MXene/WPU prepolymer will be characterized by FT-IR. The mechanical properties and UV shielding properties of the TDI-MXene/WPU composites were characterized by means of an electronic tensile machine, a Shore hardness tester and an ultraviolet-visible spectrophotometer. The results show that —NCO in TDI reacts with —OH in the MXene sheet. The modified MXene sheet has —NCO and —OH groups that can be in-situ polymerized with the WPU; the addition of MXene can make The tensile strength and hardness of waterborne polyurethanes increase, but the elongation at break decreases. Under the premise of ensuring that the visible light transmittance is not greatly affected, the addition of TDI-MXene can increase the UV shielding rate of the materials.

Keywords: MXene; TDI-MXene; Waterborne polyurethane; In-situ polymcrization; Mchanical property; UV shield

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 文献综述 1

1.1 引言 1

1.2 MXene概述 2

1.2.1 MXene的研究进展 2

1.3 阴离子水性聚氨酯概述 5

1.3.1 水性聚氨酯简介 5

1.3.2 水性聚氨酯的制备方法 5

1.4 本文研究的内容/目的和意义 6

1.4.1 实验研究内容 6

1.4.2 实验的目的和意义 6

第二章 实验部分 7

2.1 实验原料与仪器设备 7

2.1.1 实验原料 7

2.1.2 实验仪器 8

2.2 实验原理 8

2.2.1 MXene的合成原理 8

2.2.2 改性MXene的合成原理 9

2.2.3 改性MXene/阴离子型水性聚氨酯的合成原理 9

2.3 实验操作 9

2.3.1 MXene的制备 9

2.3.2 改性MXene的制备 10

2.3.3 改性MXene/阴离子型水性聚氨酯杂化乳液的制备 10

2.4 性能测试及表征 12

2.4.1. 红外光谱测试 12

2.4.2. 力学性能测试 12

2.4.3. 硬度 12

2.4.4. 吸水率 13

2.4.5. 紫外-可见分光光度计 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 红外光谱测试 14

3.2 力学性能测试 15

3.3 硬度 17

3.4 吸水率 18

3.5 紫外-可见分光光度计 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

第一章 文献综述

引言

随着高功能和高性能材料的使用，聚氨酯（PU）的全球消费量不断扩大。有机溶剂型PU包括甲乙酮型、丙酮型和二甲基甲酰胺型，这种溶剂型PU（SPU）在分子设计上具有很大的自由度并具有加工优点。然而由于安全和环境问题，水性聚氨酯（WPU）正在稳步取代SPU。WPU是以水为分散介质形成的二元胶态体系^[1]。通常，WPU比传统的SPU具有更慢的附着力和干燥速率，并且WPU的应用受到所需原材料类型和制造工艺的限制，与性能和加工有关的问题可以通过适当的分子设计和与其他材料的杂交来解决。另一方面，土地污染日益严重聚合物废物填埋场的短缺，导致人们担心生物降解。因此，PU已被分子设计为允许微生物生物降解，通过引入合适的生物可降解填料作为物理和化学交联剂，可使PU的可生物降解性可以大大提高。可降解PU典型地通过可降解聚酯或聚碳酸酯二醇与二异氰酸酯的加聚反应来制备，这些PU具有可降解的酯键并且通常表现出缓慢的降解速率，这不匹配持续的药物释放应用^[2]。

水性聚氨酯作为多用途的环保材料，由于其优异的弹性、耐磨性、柔韧性、广泛的基材适应性和应用领域广泛，受到了人们的越来越多关注。传统的聚合物涂层产品，由于相当多的有毒挥发性有机化合物（VOCs）正逐渐被VOCs排放减少的水性聚合物所取代，目前，在水介质中具有良好分散的聚合物颗粒和高储存稳定性的环保型水性聚氨酯被广泛开发为用于不同基材的绿色涂料，涉及金属，纸张，皮革，纺织品，木材，混凝土和一些聚合物。 WPU作为防腐涂料的应用具有环境安全性，对基材的良好附着力，适宜的耐化学性，高韧性和柔韧性，低分散粘度以及容易和良好的成膜性等特点。MXene因其片层表面有—OH基团，将其应用到水性聚氨酯材料的改性中具备一定的可行性。

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