文摘

聚氨酯泡沫被称为流行的材料应用于工业和生活的许多领域。提高这种材料的机械和热性能,在这个研究中,聚氨酯泡沫与苯胺改性强化微碳纳米管(热合)。修改后的碳管的傅里叶变换红外光谱红外光谱显示苯胺接枝在碳管表面通过nh的外观₂延伸。热合有无修改的影响在密度、孔隙度、抗压强度、聚氨酯泡沫MWCNT /纳米复合材料的热导率进行了调查。热合的PU矩阵的可分散性增强与苯胺改性后。聚氨酯纳米复合材料抗压强度达到最大值后添加3 wt。%的修改热合聚氨酯泡沫。此外,使用3 wt聚氨酯纳米复合材料的水吸收。%的热合下降到13.4%相比,使用修改的热合。热导率的改善聚氨酯/苯胺改性MWCNT观察纳米复合材料由于聚氨酯泡沫的细胞大小的变化在热合如图所示的扫描电镜图像。

1。介绍

与大多数塑料、聚氨酯(PU)泡沫属于热孔隙度的多孔材料,具有独特的性质和力学性能。这些属性可以改变在广泛通过调整原材料生产聚氨酯泡沫如多元醇、异氰酸酯和催化剂。由于这种灵活的属性,聚氨酯泡沫被应用在许多不同的领域从航空航天部件,船只,防弹背心,和汽车1,2]。然而,该材料具有一些缺点由于低机械和热性能,限制其应用程序(2]。因此,许多研究人员都集中在克服这些缺点为了提高聚氨酯泡沫的性质(3,4]。

大量的研究已经报道了聚氨酯纳米复合材料泡沫,钢筋与纳米黏土等不同类型的纳米粒子(4- - - - - -6),二氧化钛(7),和纳米碳纤维8- - - - - -10)来创建一个类的泡沫材料,有前途的属性。在徐的研究等。11],2 phr organoclay纳米颗粒的加入到聚氨酯泡沫导致的抗拉和抗压强度的改善聚氨酯泡沫(分别为152%和110)。萨哈et al。21)使用wt。%的TiO₂纳米粒子增强聚氨酯泡沫。结果显示,杨氏模量略有增加,抗拉强度和抗压强度的聚氨酯/ TiO₂纳米复合材料约14.6%、5%和16.2%,分别比聚氨酯泡沫。碳纳米纤维(cnf)也研究了高性能钢筋添加剂对聚氨酯泡沫塑料由于其优秀的轴向拉伸强度,优越的热和电气性能,导热系数(12- - - - - -14]。郭et al。15)报道,拉伸模量和抗拉强度的聚氨酯/ MWCNT纳米复合材料显著提高约90%,与纯聚氨酯泡沫质量的1。%的热合聚氨酯泡沫。重要的是,断裂伸长率的聚氨酯/碳纳米管(CNT)复合大大地提高了约500%,表明整洁的聚氨酯的韧性是通过添加碳纳米管增强矩阵。类似的结果也报道了Sinaret热合增强聚氨酯泡沫(3]。抗压强度的聚氨酯/ MWCNT复合0.5 wt。%的填料达到峰值1.162 MPa,相比于其他泡沫复合材料。吸收的能量从22.89 J PU矩阵提高到24.53 J泡沫与3 wt. %的碳管复合材料。

尽管之前的论文表明,碳管可以显著改善聚氨酯泡沫纳米复合材料的性质,论文的数量关于聚氨酯泡沫MWCNT /纳米复合材料的热导率有点稀缺。

碳纳米管被称为阳光吸收器,低成本、可重用性和优秀的light-to-heat转换属性(16]。在阳光下,碳纳米管可以吸收和散射光子由于碳纳米管之间的强相互作用和入射太阳能灯;产生的热量从碳纳米管的表面发生强烈耦合发生在入射辐射和电子在碳纳米管的表面17]。聚氨酯泡沫复合材料,碳纳米管的表面生成的热量可以转移矩阵,并存储在细胞结构。Santiago-Calvo et al。18)建模PU / CNT泡沫的导热系数四个导热机制:传导沿细胞壁和struts的固体聚合物,通过气相传导,细胞内的热辐射、对流。作者表明,聚氨酯泡沫的导热系数可以改善CNT的添加少量纳米粒子(0.1 - -0.4 wt。%的问)。然而,泡沫聚氨酯纳米复合材料的热导率钢筋大量在1 - 5 wt的范围。%的热合尚未提到。

因此,本研究将准备包含热合与高浓度的泡沫纳米复合材料。热导率、形态、和抗压强度的泡沫纳米复合材料也将详细调查和讨论。此外,碳管与苯胺被修改,提高与聚氨酯的兼容性矩阵以及泡沫聚氨酯纳米复合材料的性质。

2。实验

2.1。材料

二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)和聚丙烯聚乙烯(PPG) Oriken化学公司的产品,马来西亚。微碳纳米管(热合)的纯度为99%用于本研究材料科学研究所提供的越南科学技术学院、越南。20 nm的热合平均直径和长度为50 - 200微米。苯胺(纯度99.5%)和硝酸的浓度(68%)由Xilong化学公司(中国)。绝对酒精从Duc江化工公司购买(越南)。

2.2。制备的聚氨酯泡沫和聚氨酯/ MWCNT泡沫纳米复合材料

2.2.1。修改与苯胺热合

首先,热合被浓硝酸处理之前被蒸馏水过滤和清洗的pH值7 (19,20.在80°C),然后干24小时获得治疗热合。治疗后,碳管与苯胺修改如下:0.528 g热合被添加到混合物120毫升的水和20毫升乙醇下声波降解法在室温下30分钟。接下来,6克甘油酯和苯胺溶液添加到解决方案在70°C下搅拌24小时。最后,MWNTs被过滤,用蒸馏水洗净干之前在80°C 6小时。

2.2.2。制造聚氨酯/ MWCNT泡沫纳米复合材料

聚氨酯泡沫纳米复合材料包含0,1,3,5 wt。%的热合准备如下:热合首先添加到多元醇在机械搅拌5分钟在1200 rpm。混合物继续被使用超声波T18数字超Turrax (IKA) 30分钟20 kHz的频率。最后,异氰酸酯添加到MWCNT /多元醇混合物使用机械搅拌器和1500 rpm 10秒钟。混合之后,很快就投入的模具尺寸 毫米左右自由泡沫在一个方向上从模具前24小时删除。聚氨酯泡沫塑料热合准备在相同条件下。

2.3。特征

2.3.1。傅里叶变换红外(FTIR)光谱

傅里叶变换红外光谱(FTIR)用于分析样品有或没有修改傅里叶Nexus 670光谱仪(美国),4000 - 400厘米的波动范围¹4厘米的一项决议¹与平均32位扫描。

2.3.2。密度和孔隙度

聚氨酯泡沫塑料的密度确定纳米复合材料根据ASTMD 1622 - 93,和聚氨酯泡沫样品的孔隙度是决定根据ISO 5013 - 1985。

2.3.3。扫描电镜显微照片

细胞大小的泡沫纳米复合材料和MWCNT分布使用场发射扫描电子显微镜观察(FE-SEM)在80千伏的电压和30和50000倍的放大。一定,样本被镀上了一层银改善资格高倍扫描电镜图像。

2.3.4。抗压强度

根据ASTM D1621压缩进行了测试在十字头10毫米/分钟的速度使用茨威格Z2.5仪器(德国)。

2.3.5。水吸收

聚氨酯泡沫的水吸收纳米复合材料是根据ISO 5013 - 1985决定的。

2.3.6。体积电阻率

体积电阻率确定的武田TR8401机(日本)的直流电压100 V 25°C,湿度50%。

2.3.7。热导率

泡沫的导热系数测量进行有500(德国Linseis)范围从0.01到100 W / m·K¹在20°C。测量了稳定的热流条件下通过测试样品,按照UNE12667方法。

2.3.8。热吸收的泡沫

吸收测温系统(见图1)是一个真空室连接到250 W红外线。样本被放置在室与光源的距离390 mm。辐照表面的温度,未照射表面和内部样本收集测量热吸收比率。

3所示。结果与讨论

3.1。红外光谱光谱原始热合、酸洗热合和苯胺改性热合

红外光谱原始光谱、酸和苯胺改性热合图所示2。对于原始热合,峰值为1628厘米¹C = C键的特点是,与原始碳纳米管的结构。与硝酸处理后,有一个新的峰值为1717厘米¹相应的C = O拉伸,表明羧基的存在在热合由于HNO氧化处理₃酸(19]。

苯胺可以观察到的特征组的傅立叶变换红外光谱苯胺改性热合。高峰在3436厘米¹和3368厘米¹具有对nh₂延伸。弱的峰值为3037厘米¹和2924厘米¹被分配到苯环碳氢键的苯胺。碳氮伸缩振动出现在1262厘米¹。此外,一个轻微的转变从1717厘米¹到1728厘米¹C = O组的振动之间的相互作用可能是由于表面的羧基组酸洗热合和北半球₂苯胺组。这可能表明,苯胺成功MWCNT。

3.2。MWCNT内容对PU / MWCNT纳米复合材料的性质

MWCNT的影响内容的孔隙度、密度和抗压强度的聚氨酯/ MWCNT纳米复合材料进行了研究和报道在表1。在这个表中,聚氨酯泡沫的密度增加了碳管的存在。整洁的聚氨酯的密度是0.034克/厘米³并增加到0.055克/厘米³对于包含5 wt的纳米复合材料。%的热合。变化的结果是一致的金光et al。3),聚氨酯泡沫的密度/ 3 wt。% MWCNT纳米复合材料也与聚氨酯泡沫相比增加了11.2%。减少泡沫聚氨酯纳米复合材料的孔隙度观察随着MWCNT的内容。例如,孔隙度达到了89.7%,为76.32%,使用5 wt聚氨酯泡沫和聚氨酯纳米复合材料。%的碳管,分别。结果可以解释为热合在聚氨酯泡沫的存在导致前驱溶液的粘度的增加,防止泡沫制备过程中泡沫的形成和发展。因此,MWCNT内容介绍了PU泡沫越高,低孔隙度成立于它的结构。

聚氨酯泡沫的抗压强度也取得了高于引入热合造成泡沫的微观结构的变化。整洁的聚氨酯泡沫抗压强度最低82.81 kPa时包含3 wt的泡沫聚氨酯纳米复合材料。%的碳管的最大抗压强度为111.9 kPa。这是由于细分散和良好互动的碳管在聚氨酯基体3 wt。%的内容。然而,纳米复合材料的抗压强度会强烈降低MWCNT内容超过3 wt。%的集聚热合PU矩阵(3,20.]。因此,3 wt。% MWCNT的内容被选为下一个调查。

3.3。修改后的效果热合PU / MWCNT纳米复合材料的性质

确定苯胺改性的效果,使用3 wt聚氨酯纳米复合材料的性质。%的碳管和没有研究了苯胺和如表所示2。见表2,包含苯胺改性的纳米碳管为揭示了高密度和低孔隙度相比,包含修改的热合。这可能是由于存在苯胺碳管表面可以提高碳管的可分散性和聚氨酯泡沫的粘度。修改后的碳管的细分散聚氨酯矩阵也造成了轻微增加抗压强度(3%)和减少水吸收(13.4%)比PU /修改的MWCNT纳米复合材料。一方面,水吸收的减少是由于疏水热合与苯胺改性后的表面。另一方面,纳米复合材料的孔隙率的减少也是原因减少。值得注意的是,苯胺提高导热导电性,也可以加强对PU /修改MWCNT纳米复合材料比PU /修改的MWCNT纳米复合材料(8]。

3.4。热性能的聚氨酯泡沫纳米复合材料

3.4.1。吸收的热量

样品表面的温度,当暴露在一个恒定光源被用来确定样品的热吸收能力。图3揭示了温度变化的函数的暴露时间热合浓度纳米复合材料具有不同的修改。

吸热过程可以认为由以下方程(21,22]: 在哪里是吸收热量,辐射热,是样品的表面积,是聚氨酯的热吸收常数/ MWCNT纳米复合材料,是聚氨酯的热吸收常数参考,光源的辐射能量,介质的热吸收系数,室温(°C),聚氨酯的饱和温度参考(°C),然后呢PU / MWCNT的饱和温度是纳米复合材料(°C)。

从图观察3样品的表面温度迅速增加的400秒,然后慢慢达到一个稳定状态在过去300秒。原始的聚氨酯泡沫显示温度的缓慢增加,达到最大值后50°C 700秒的测试。这可能是由于高隔热和聚氨酯的吸收更少的热量。相比之下,泡沫纳米复合材料的表面温度与添加3 wt已经极大地改变了。%的修改热合后达到90°C的最大值700测试秒。然而,如果填充内容高于3 wt。%,泡沫纳米复合材料的表面温度不再增强。在这种情况下,添加热合超过罚款在PU分散性矩阵。因此,表面的碳管样品的吸热效应降低。因此,与苯胺热合被修改,分散阶段和提高聚合物基质之间的兼容性。因此,温度包含3 wt表面的纳米复合材料。%的修改热合高于未修改的样品。

温度对表面样本,获得数据的热吸收比率(与聚氨酯泡沫相比)和温度偏差辐照与未照射表面样本计算如表所示3。把碳管到聚氨酯泡沫可以提高吸热率从2.30到2.75作为填充内容改变了从1 wt。3 wt %。%,然后下降到2.49示例使用5 wt。%的修改后的碳管。实现更高的热吸收比PU /修改MWCNT样品意味着温度偏差是最低的PU /修改MWCNT纳米复合材料与PU矩阵或PU /修改的MWCNT纳米复合材料。结果表明,碳管可以促进大量纳米复合材料内部的热传导,尤其是修改后的碳管。

3.4.2。热导率的研究

图4显示了泡沫纳米复合材料的热导率的变化作为MWCNT的函数的内容。聚氨酯泡沫塑料的导热系数是0.035 W / m·K。这个值增加到0.072 W / m·K PU /修改的MWCNT纳米复合材料作为MWCNT内容变化的范围0 - 5 wt. %。导热系数的变化是一致的结果Santiago-Calvo et al。18]。作者研究了不同的影响(0.1 - -0.4 wt MWCNT内容。%加载)和报道,热导率可以显著改善与聚氨酯泡沫在高纳米粒子由于增加的内容通过固相导热。添加纳米颗粒增强泡沫的密度的增强导致固体的导热系数矩阵。关于导热,燕et al。23]也解释了一个互联网络的形成的纤维含量高与聚合物基质可能导致增加了固体的导电率矩阵。这表明良好的分散和兼容性矩阵和填料之间的给出一个积极的影响材料的热导率。见图4的公司修改后的碳管与聚氨酯泡沫显示了显著改进热导率较未改性纳米粒子。结果表明,改性与苯胺可以促进热合在PU矩阵的可分散性,导致泡沫纳米复合材料的热导率的改善。

3.5。形态学的泡沫泡沫纳米复合材料和MWCNT分布

聚氨酯泡沫和泡沫纳米复合材料的微观结构由扫描电子显微镜(SEM)分析。泡沫的形态学改变纳米复合材料在不同MWCNT内容如图5和总结在表4。聚氨酯泡沫及其纳米复合材料的显微图显示与球形细胞结构和多面形状。聚氨酯泡沫细胞分布有点制服,将纳米粒子添加到聚氨酯泡沫后变得不那么均匀。平均细胞大小计算出样品的显微照片显示,细胞大小的变化是显而易见的,如表所示4。纯聚氨酯泡沫的细胞大小是714μ米,而泡沫与1和3 wt纳米复合材料。%的修改的热合细胞大小为616和380μm,分别。然而,细胞大小的减少也包含3 wt为样本记录。修改后的碳管为%,细胞大小是240μm。它意味着的细胞大小的修改样品比这更好的修改的样品在同一填充内容。

一般来说,一个细胞大小减少聚氨酯泡沫造成的纳米颗粒的存在已经报道之前(4]。热合扮演作为成核点聚氨酯泡沫细胞的形成和成长24),从而建立一个更大的细胞的数量;因此,细胞尺寸变得更小。另一方面,泡沫的粘度纳米复合材料似乎高于聚氨酯泡沫由于碳管的合并与聚氨酯矩阵这限制了细胞生长和结果在较小的细胞大小相比,聚氨酯泡沫(4]。

碳管的分布有或没有苯胺改性的聚氨酯矩阵可以从扫描电镜观察到的图像放大倍数越高。从图可以看出6(a),均匀分散的修改热合观察聚氨酯细胞边缘(没有检测到细胞壁)。然而,填充和矩阵之间的相分离是非常清楚,由于不同的亲水热合PU和修改的属性。苯胺碳管表面的存在改善了与聚氨酯的兼容性矩阵,导致较小的细胞相比,泡沫的生成包含修改的热合(图6(b))。

4所示。结论

热合被成功修改通过苯胺类之间的交互与苯胺与羧酸盐热合。聚氨酯泡沫与未经改装的纳米复合材料增强碳管与不同浓度由一个成型的过程。聚氨酯泡沫塑料的性能变化引入热合表明,碳管的存在导致密度的增加和减少孔隙度由于纳米颗粒的添加提高了成核点聚氨酯泡沫细胞的形成和发展。泡沫纳米复合材料的抗压强度达到最大值为示例包含3 wt。修改的碳管的%。修改的样品相比,泡沫包含3 wt的纳米复合材料。%的修改热合显示更好的结果。聚氨酯改性MWCNT /纳米复合材料的抗压强度从111.9 kPa增加到115.3 kPa,而水吸收明显从68.8%下降到59.6%,而修改的样品。类似的改善纳米复合材料的热导率也见过包含修改热合增加从0.072 W / m·K为0.08 W / m·K。此外,扫描电镜显微照片显示修改后的碳管的加入影响了细胞大小的泡沫更明显比未改性的填料。平均细胞大小的泡沫随纳米粒子含量增加而降低,最小值是240μ包含3 wt m的纳米复合材料。%的修改后的碳管。这一结果的一个可能的解释是修改后的碳管可以更好地分散在聚氨酯矩阵比未改性填料由于更好的聚氨酯的改性纳米粒子的化学交互作用矩阵。值得注意的是,高温可以在泡沫表面的纳米复合材料来实现光源开放农产品干燥的可能性。

数据可用性

支持本研究使用的数据可以根据客户要求提供相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突

确认

这项研究是在经济上支持越南科学院科技(代码CP1862.02/20-22)。