不同形状纳米二氧化钛/聚氨酯复合纤维的结构与性能研究

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复合是改善聚氨酯(TPU)力学及功能特性的重要途径之一,而填料的属性和分布情况是决定聚氨酯复合材料的各项性能的关键因素。首先,填料粒子不同形状与聚氨酯基体形成的界面性能不同;第二,不同形状填料粒子在聚氨酯基体内部的分散情况不同;第三,不同形状填料粒子在力作用下的排列情况不同。这些因素都与聚氨酯复合材料的最终性能有着紧密的关联。因此,研究填料形状和分布对于制备高力学性能的聚氨酯复合纤维是具有重要的研究意义的。本文采用N,N-二甲基甲酰胺/甲苯二元溶剂下非溶剂致相转变法,分别制备了球形二氧化钛、二氧化钛晶须和球形二氧化钛/二氧化钛晶须混合粒子聚氨酯复合纤维,研究了填充量和形状对复合纤维微观结构和力学性能的影响,并进一步分析了三种粒子影响聚氨酯基体界面性能强弱的主导因素,主要结论如下:(1)制备了不同粒径球形二氧化钛/聚氨酯复合纤维(PTCF)。球形二氧化钛粒子的加入,促进了PTCF的微相分离。相比于TPU,PTCF复合纤维具有更优异的力学性能,当填充量为1%时,PT4CF-1和PT10CF-1的应力较TPU分别提升了46.8%和25.7%,应变仅下降6.7%和5.5%,并且复合纤维的循环力学性能也较好。(2)制备了二氧化钛晶须和二氧化钛晶须/聚氨酯复合纤维(PWCF)。二氧化钛晶须为金红石相,结构稳定。相比于TPU,PWCF复合纤维具有更优异的力学性能,当填充量为1%时,PWCF-1的应力和应变分别为52.1±3.1 MPa和1307.8±49.8%,这说明二氧化钛晶须对聚氨酯纤维能够起到增强应力的作用。(3)制备了球形二氧化钛/二氧化钛晶须/聚氨酯复合纤维(TW)。比较了不同比例下混合粒子对聚氨酯复合纤维结构和性能的影响。同时,将TW复合纤维与PTCF和PWCF复合纤维的力学进行了对比。相比于PT4CF-1和PWCF-1,TW-55复合纤维具有更优异的力学性能,TW-55的应力较PT4CF-1和PWCF-1分别提升了5.1 MPa(6.7%)和23.3 MPa(30.9%),且应变分别上升了0.4%和20.6%。通过对不同聚氨酯复合纤维的应力、应变和韧性分析可知,球形二氧化钛粒子对聚氨酯复合纤维起到增韧作用,二氧化钛晶须对聚氨酯复合纤维提供了增强作用,一定比例的球形二氧化钛/二氧化钛晶须混合粒子对聚氨酯复合纤维提供了增强增韧作用,这一方法为特殊条件下不同应变复合填料的选择提供了新途径。
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