木质基增强热塑性聚氨酯复合材料的制备及其性能研究
摘要：热塑性聚氨酯（TPU)是一种嵌段共聚化合物，根据不同的使用要求，可以通过选择不同的共聚单体来合成。它性能优良，耐磨性好、强度高、耐化学品和水解性好、抗菌性好、低温柔顺性好以及染色性好。TPU有着软、硬链嵌段的化学结构，具有良好的耐磨性、撕破强力和弹性回复性。然而，TPU的机械性能存在一定的缺陷，阻碍了其进一步的发展及利用。木材是一种天然复合材料，力学性能优异、无毒、可降解且来源广泛。通过化学或机械法得到的纳米纤维素既有纳米粒子的特性，还具有较高的强度。然而，纳米纤维素的制备需消耗大量能量，且导致赋予木材良好机械性能的独特层次结构及定向排列的木质细胞壁精细结构不复存在。本课题希望直接利用保留木材原有结构、机械性能良好的木材框架作为增强相，制备木质基增强热塑性聚氨酯复合材料。同时，分析不同方法制成的木材框架对木质基增强TPU复合材料性能的影响。
关键词：热塑性聚氨酯 木材框架 真空浸渍 复合材料
1 研究背景及意义
近年来，应变传感器因其在健康监测系统、智能机器人、人机界面等方面具有巨大的应用潜力而备受关注。为了提高应变传感材料的拉伸性和耐久性，前人采用聚二甲基硅氧烷、Ecoflex、硅橡胶和热塑性聚氨酯(TPU)等弹性材料作为基体[1]。TPU性能优良，耐磨性好、强度高、耐化学品和水解性好、抗菌性好、低温柔顺性好以及染色性好，且具有软段和硬段，是一种线性嵌段共聚物。其中软段由低聚合物二元醇构成，常温下呈橡胶态；硬段由二异氰酸酯与扩链剂构成，常温下呈玻璃态或结晶态，具有塑料属性。TPU的这种特殊结构使其既具有橡胶的特性，可以替代橡胶应用于一些领域，又具有塑料的高耐磨性、拉伸强度和撕裂强度等，可以像塑料一样进行加工[2]。然而，随着TPU使用范围的扩大，对其性能要求也逐渐提高，TPU的机械性能和热性能仍存在一定缺陷。据研究报道，通过添加纳米二氧化硅、纳米黏土、碳纳米管、纤维素纳米晶等，可以改善TPU的性能。其中，纳米纤维素因其表面含有丰富的羟基，可以与TPU分子链形成氢键，从而实现更好的增强，因此，纳米纤维素也常用于TPU增强材料。Pei 等[3,4]通过原位聚合的方法在聚醚型热塑性聚氨酯弹性体中添加1wt％的纤维素纳米晶，能够将拉伸强度7.5MPa提高到61.5MPa，并发现纤维素纳米晶与硬段实现了共价键连接，同时提高了刚性和韧性。然而，纳米纤维素的制备需消耗大量能量，且在制备过程中，导致赋予木材良好机械性能的独特层次结构及定向排列的木质细胞壁精细结构不复存在,限制了其增强作用的全面发挥。
因此，通过引入保留木材特有结构的木材框架，采用真空浸渍TPU的方法，制备木质基增强TPU复合材料具有重大的研究意义和良好的应用前景。
2 国内外研究现状
2.1TPU增强复合材料
TPU是最早被发现的易于热塑加工、价格低廉的高弹体化合物，广泛用于电缆、服装鞋帽、汽车、医药卫生、管材、薄膜和片材等许多方面[5]。随着热塑性聚氨酯使用范围越来越广泛,其机械性能和热性能的要求也逐步提高。据研究报道，通过添加纳米二氧化硅[6]、纳米黏土、碳纳米管、纤维素纳米晶等，可以改善热塑性聚氨酯的性能。汪传生等[7]利用基于粉体喂料3D打印机研究3D打印玻璃纤维/热塑性聚氨酯共混材料的性能。Bin Yu[8]等做出了超纳米材料改性热塑性聚氨酯，提高了材料燃点增强了其耐热性。孟晓宇[9]等采用硫酸水解法制备了纤维素纳米晶，分散于塑性聚氨酯，获得了纤维素纳米晶/热塑性聚氨酯复合材料，使其拉伸强度提高至纯聚氨酯薄膜的184%。马加佳[10]等以４,４Ｇ二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、聚四氢呋喃(PTMG)、纤维素纳米晶体（CNC）、1，4-丁二醇(BD)为原料制备了聚氨酯弹性体/纤维素纳米晶体复合材料，发现当CNC用量达到１wt%时，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率分别提高了178%和975%,热性能也有所提高。
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