2024-08-2376
聚氨酯(polyurethane,PU)是分子结构中含有氨基甲酸酯基团(—NH—COO—)的聚合物,由二异氰酸酯和多元醇通过聚加成反应合成。聚氨酯为软段和硬段交替连接而成的嵌段共聚物,软段由聚醚、聚酯等低聚物多元醇组成,而硬段由二异氰酸酯与扩链剂组成。具有不同聚合能的软段和硬段在热力学不相容的驱动力下形成了微相分离结构,其中硬段起微纳米强化和物理交联的作用。此外,通过对单体组合的精心设计来调控软段/硬段的结构及相对含量,实现对聚氨酯性能的“量身定制”。聚氨酯在室温下具有高机械强度、高耐磨性、低温柔韧性、耐腐蚀性、易加工性等特点,广泛应用于弹性体、树脂、涂料、胶粘剂、纤维等多个领域。尽管如此,聚氨酯在耐热性、导热性、电磁性、阻燃性、耐水性和气密性等方面仍存在诸多缺陷,限制了其在许多领域的应用。
大量研究证实,在聚氨酯基体中添加功能性纳米填料可显著改善其缺陷,包括石墨烯、碳纳米管、炭黑、纳米粘土、过渡金属碳化物/碳氮化物、纳米纤维素、金属粉和陶瓷粉等。石墨烯是一种具有六边形蜂窝状晶体结构的二维碳质材料,具有高强度(130GPa)、高模量(1000GPa)、高比表面积(2600m2/g)、显著的柔韧性、高热稳定性、高导热系数(~5000 W/(m·K))和高电导率(~6000S/m),在改善聚氨酯的综合性能方面具有潜在的应用价值。在石墨烯的众多衍生物中,氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)是最有前途的功能性纳米填料。与原始石墨烯相比,GO表面含有大量的含氧官能团,如基面上的羟基和环氧基,以及位于薄片边缘的羰基和羧基等,这不仅使GO在聚合物中具有良好的分散性,而且提供了表面功能化和形成化学键的活性位点,可赋予石墨烯纳米薄片与聚合物之间理想的界面。同时,在石墨烯的不同制备方法中,通过高温热还原或化学还原GO制备还原氧化石墨烯(reducedgrapheneoxide,RGO)因其成本效益高、可拓展性好、可批量生产等特点而成为研究最多的方法。
石墨烯致密的离域二维电子状态使其具有屏蔽原子和分子的特性。当腐蚀介质穿过有机薄膜或涂层体系时,它能绕过或穿透涂层中的填料,而腐蚀介质通过涂层的曲折程度取决于腐蚀介质如何绕过填料。有机材料/石墨烯复合防护涂层的基本设计理念是利用石墨烯的化学惰性和阻隔性,延长腐蚀介质在涂层中的渗透路径长度。同时，石墨烯还能提升锌粉底漆中锌粉的利用率，增强涂层的防腐蚀能力。
由于石墨烯和聚氨酯优异的理化性能，石墨烯/聚氨酯纳米复合材料在许多领域已得到广泛研究。石墨烯在聚氨酯中的分散状态和界面相互作用一直是影响复合材料综合性能的重要因素。石墨烯的表面功能化和复合材料的制备工艺是影响石墨烯分散程度和界面相互作用的决定性因素。
目前,石墨烯/聚氨酯复合材料在导电材料、导热材料、阻燃材料、EMI屏蔽材料、气体阻隔材料、耐腐蚀材料等方面的潜在应用仍在不断研究中。除上述应用外,石墨烯/聚氨酯复合材料在电池、电容器、电化学、生物医学等领域也表现出潜在的应用前景。对石墨烯优异性能的进一步开发,以及石墨烯/聚氨酯复合材料制备工艺的持续改进,将极大地推动纳米复合材料科学的进步。因此,石墨烯/聚氨酯复合材料在未来必将具有更广泛的应用前景。
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