摘 要

水性聚氨酯由于其环保优点而广泛被研究，然而由于其力学性能不足而限制了其在其他方面的应用。本实验借鉴二维材料氧化石墨烯（GO）对水性聚氨酯（WPU）的改性，利用性能更加优异的新型二维材料MXene对WPU进行改性。

本文主要以聚己二酸丁二醇酯（PBA）和异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）为反应单体，γ-氨丙基三乙氧基硅烷（KH550）为内交联剂，1,4-丁二醇（BDO）、乙二胺（EDA）、2,2-二羟甲基丙酸（DMPA）为扩链剂，三乙胺（TEA）为成盐剂合成用硅烷偶联剂KH550交联改性的内交联型水性聚氨酯（C-WPU）乳液，并流延成膜。通过与不同含量的MXene共混制成MXene/C-WPU复合材料，来分析MXene对交联型水性聚氨酯性能的影响。对试样进行傅里叶红外光谱分析（FT-IR）、力学性能测试、硬度和形状回复率测试，实验结果表明，MXene上的羟基能与C-WPU中的羧基及游离羰基形成氢键，充当物理交联点作用，使交联密度增大，拉伸强度、硬度、形状回复率增大。然而当MXene含量较多（0.50 wt%）时，MXene发生团聚，共混物发生相分离，导致材料的性能下降，拉伸性能低于0.25 wt% MXene含量的共混物。

关键词：内交联 水性聚氨酯 MXene 力学性能 形状回复率

Studies on Modification of Crosslinked Waterborne Polyurethane by MXene

Abstract

Waterborne polyurethanes have been extensively studied due to their environmental advantages, however, due to their insufficient mechanical properties, their use in other applications has been limited. In this experiment, the two-dimensional material GO was used to modify the WPU, and the new two-dimensional material MXene with better performance was used to modify the WPU.

In this paper, we use polybutylene adipate (PBA) and isophorone diisocyanate (IPDI) as the reaction monomers, γ-aminopropyl triethoxysilane (KH550) as the Internal crosslinking agent, 1,4-butylene glycol (BDO), ethylenediamine (EDA), 2,2-dimethylol propionic acid (DMPA) as chain extender, triethylamine (TEA) as salt-forming agent to synthesizes cross-linked waterborne polyurethane (C-WPU) modified by KH550 emulsions and coats them in a film. Synthesize MXene/C-WPU composites by blending with different contents of MXene to analyze MXene cross-linking waterborne polyurethane properties. Samples were subjected to fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), mechanical properties tests, hardness and shape recovery tests. The results of experiments show that hydroxyl groups on MXene could form hydrogen bonds with carboxyl groups and free carbonyl groups in C-WPU. Because MXene acts as a physical crosslinking point, the tensile strength, hardness, and shape recovery rate increase, with the crosslink degree increasing. However, when the content of MXene is high, MXene agglomerates and the phase separation of the blends results in decreases in the properties of the material, which is inferior to the blends with low MXene content.

Keywords: internal cross-linked, waterborne polyurethane; MXene; mechanical properties; shape recovery rate

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 文献综述 1

1.1 水性聚氨酯 1

1.1.1 水性聚氨酯概述 1

1.1.2 水性聚氨酯研究进展 1

1.2 内交联型水性聚氨酯 2

1.2.1 内交联型水性聚氨酯概述 2

1.2.2 内交联型水性聚氨酯合成原理 2

1.2.3 内交联型水性聚氨酯研究进展 2

1.3 形状记忆聚氨酯 3

1.4 MXene 4

1.4.1 MXene概述 4

1.4.2 MXene研究进展 4

1.5 实验目的意义及内容 5

1.5.1 实验目的意义 5

1.5.2 实验内容 5

第二章 实验部分 6

2.1 实验原料与仪器设备 6

2.1.1 实验原料 6

2.1.2 实验仪器 6

2.2 实验操作 7

2.2.1 MXene的制备 7

2.2.2 内交联型水性聚氨酯的制备 8

2.2.3 胶膜的制备 8

2.3 性能测试及表征 9

2.3.1 红外光谱测试 9

2.3.2 力学性能测试 9

2.3.3 形状回复率 9

2.3.4 硬度的测定 9

第三章 结果与讨论 10

3.1 傅里叶红外光谱分析 10

3.2 力学性能 11

3.3 形状回复率 12

3.4 硬度 14

第四章 结论与展望 15

参考文献 16

致谢 18

文献综述

水性聚氨酯

水性聚氨酯概述

聚氨酯（PU）是异氰酸酯和多元醇聚加成而形成的高分子聚合物。聚氨酯以水为分散介质形成乳液体系即是水性聚氨酯（WPU），又称聚氨酯乳液。由于水性聚氨酯对环境友好、毒性低，开始代替有毒性的溶剂型聚氨酯，常用于涂料、胶黏剂、织物整理剂等领域。

水性聚氨酯合成方法根据原料、机理等不同，可以分为自乳化法和外乳化法。自乳化法是无需添加乳化剂即可乳化的方法，通过添加亲水性扩链剂在聚氨酯分子链上引入亲水基团（羧基等）而能够发生乳化，常用的方法有丙酮法、预聚体法。外乳化法是聚氨酯分子链上含有较少亲水性基团，需要外加乳化剂乳化时使用的方法，因此不常采用。

水性聚氨酯研究进展

Bao等^[2]在原料中加入聚四氢呋喃二醇合成的含有螺吡喃基团的水性聚氨酯，由于螺吡喃是光致变色有机化合物，因此，合成的新型水性聚氨酯具有很好的光致变色功能，同时还具有较好的热稳定性。

Kim等^[3]通过在水性聚氨酯中加入纳米黏土合成的纳米复合材料，由于聚氨酯基体中嵌入的有机黏土的增强作用，材料拉伸强度和硬度显著增加，尤其是实验温度较高和形变较大时，该增强作用尤其明显。黏土层以纳米尺度分散，从而提高了耐热性和耐水性，虽然透明性有所降低，但相对而言，降低幅度很小。