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形状记忆聚氨酯(SMPU)因其具有形状记忆回复功能、良好的回弹性和抗震性等广受关注。但单一的SMPU尚存在强度、弹性模量不高,耐热性差,玻璃化转变温度(Tg)附近的热膨胀系数变化较大等不足,影响其独特性能的有效利用。本文的目的在于通过在SMPU中引入纳米二氧化硅(silica)粒子,制备分散性能良好的SMPU-silica杂化材料,并对其结构、性能进行表征。以期在改善SMPU力学性能的同时,提高其耐热性能,稳定其在Tg附近的热膨胀系数。在此基础上,对杂化材料的应用进行初步的探讨。
通过对SMPU-silica杂化材料制备工艺的研究,提出了在无水添加的形状记忆聚氨酯-正硅酸乙酯(TEOS)溶胶-凝胶体系中,以固体酸对甲基苯磺酸(PTSA)为催化剂,利用空气中的水分为水解水源,原位制备SMPU-silica杂化材料的方法,并对制备的杂化材料的结构进行表征。研究结果表明:该方法制备的SMPU-silica杂化材料,二氧化硅粒子在基体中的分散性能优异,粒子直径在20-50nm,且SMPU与silica粒子之间具有良好的界面结合性能,为制备形状记忆聚氨酯杂化材料提供了新途径。
通过对SMPU-silica杂化材料的力学、热学和形状记忆性能的表征,结果发现:二氧化硅的加入有效的提高了杂化材料的Tg,二氧化硅含量为7.5wt％时,杂化材料的Th比纯SMPU的Tg高出10℃;SMPU经过二氧化硅杂化后,在Tg附近的热膨胀系数得到了有效降低,明显提高了热膨胀系数的稳定性;杂化材料的杨氏模量和拉伸强度较原始SMPU均有显著的提高,并且在二氧化硅含量为6 wt％左右时显示出较优值;杂化材料的形状固定率(Rf(N))要明显高于纯SMPU;总的形状回复率(Rr.tol)随着循环次数和二氧化硅含量的增加而有所下降,但是在第二次循环后,材料的Rr.tol趋于稳定;经过数次循环后,材料能够获得一个趋近于100％的优异稳定的单次形状回复率(Rr(N)。
在对SMPU-silica杂化材料结构性能表征的基础上,对其应用进行了初步探讨。探索性地以SMPU-silica杂化材料为基体制备芳纶增强SMPU-silica复合材料,以期改善复合材料的界面性能。研究结果表明,SMPU通过silica杂化后,由于Tg附近热膨胀系数下降等因素,芳纶/SMPU-silica复合材料的界面剪切强度得到了显著提高,为SMPU-silica在芳纶增强复合材料中的应用提供了重要依据。