热塑性聚氨酯基木塑复合材料的制备、性能与应用研究

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针对石油资源枯竭、塑胶材料白色污染等问题,研发性能优良、可降解的新型环保复合材料是一个亟待解决的难题。聚氨酯是一种性能优良、应用广泛的工程塑胶材料,其中热塑性聚氨酯弹性体(TPU)发展较快,但难以降解。在TPU塑胶材料中添加天然植物纤维合成环保型TPU基木塑复合材料(WPC)具有重要的意义。
  首先,研究了纯TPU基材合成的工艺条件。分别采用异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)与二苯基甲烷二异氰酸(MDI)为原料合成纯TPU基材,并探讨了不同的多元醇、扩链剂对TPU性能的影响,并选取IPDI、聚四氢呋喃二醇(PTMG)、1,4-丁二醇(BDO)为原料合成TPU,考察了TPU不同原料配比、预聚反应温度、熟化时间和熟化温度合成条件的影响,利用二正丁胺滴定法确定预聚反应时间,优选出适宜的TPU合成工艺条件。实验结果表明,以IPDI为原材料合成的TPU具有更好的结晶性能,原料摩尔比PTMG1000∶IPDI∶BDO为1∶3∶2、预聚反应温度为60℃、预聚反应时间为2h、熟化温度90℃、熟化时间为48h时,材料的拉伸强度、断裂伸长率和硬度较高。通过红外光谱分析得出IPDI与PTMG反应生成线型热塑性聚氨酯确实为目标产物,TPU的SEM照片显示合成产物具有微相分离的结构特性,TPU的TG结果显示初始分解温度为270℃。
  然后,在TPU合成过程中加入竹粉、木粉(WF)两种填料制备了TPU基木塑复合材料。探讨了竹粉或木粉含量、乙酰化改性木粉(AWF)含量、偶联剂添加量以及WF粒径对WPC性能的影响。结果表明:填充适量竹粉与木粉能增强TPU,且木粉增强效果更好,随木粉填料含量的增加,拉伸强度先增加后减小,当木粉含量为15wt%时复合材料的拉伸强度最大为7.16MPa;通过研究发现不同WF粒径对WPC的性能影响,发现WPC拉伸强度排序为100目>200目>325目>400目,断裂伸长率排序为100目>400目>325目>200目,初步确定选200目的木粉;乙酰化改性处理后的AWF结构更加规整,增强效果更好;填充20wt%AWF时TPU的拉伸强度可达11.24MPa。WPC的邵A硬度均随添加量的增加而增加。最后,还制备了WPC的3D打印线材,并探究了不同WF含量WPC的挤丝与打印性能,发现WF含量为5wt%和10wt%时挤丝打印性能较好。
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