氮化硼/聚氨酯复合材料性能研究--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

氮化硼/聚氨酯复合材料性能研究

发表时间：2020/7/3 来源：《基层建设》2020年第6期作者：赵宇哲

[导读] 摘要：本课题以聚氨酯为基体，氮化硼纳米片为填充相，利用发泡技术制备具有不同质量浓度的氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料。

        中原工学院郑州 451191
        摘要：本课题以聚氨酯为基体，氮化硼纳米片为填充相，利用发泡技术制备具有不同质量浓度的氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料。研究了制备的氮化硼/聚氨酯复合材料对有机溶剂的吸收和染料吸附能力。研究表明，制备的氮化硼/聚氨酯复合材料具有良好的吸附能力，能够用于污水处理。
        关键词：氮化硼纳米片；聚氨酯；复合材料；污水处理
        1 引言
        1.1 聚氨酯的发展现状及应用
        我国聚氨酯产量位于世界顶尖，但许多核心技术我国并没有掌握，有很多高端聚氨酯原料和产品依然依赖进口，所以我国必须加强新技术的研发，注重聚氨酯材料向着精细化功能化的方向发展。随着经济的日益发展和人们生活水平的日益提高，人们对于生活质量越来越重视，所以环保型、舒适型和高耐候性等聚氨酯产品发展空间空间会越来越大。
        聚氨酯泡沫是现代塑料工业中发展最快的材料之一。由于其具有优良的保温性能、耐化学性和重复利用的能力，并且施工方便，被广泛用作家用电器、交通运输等各个领域的保温材料或结构材料。聚氨酯泡沫的主要特点是它们是多孔的，因此它们具有较低的相对密度和较高的比强度，因此具有相当高的应用价值。其中聚氨酯的净水性能在各个方面被应用。
        1.2 氮化硼的研究现状及应用
        氮化硼纳米片是由单层内交替sp2杂化的B原子和N原子以及堆叠多层之间的弱范德华相互作用组成，最终生成具有六方晶体结构的聚合物。该材料具有很好的硬度和弯曲灵活性，此外，氮化硼还具有良好的导热性能、润滑效果、吸附及环境净化功能，在聚合物/陶瓷复合材料、环保等领域有不可估量的应用价值。
        氮化硼拥有良好的物理性能，其硬度硬度仅次于金刚石，可以用作各种刀具或者是磨具。再高速发展的今天，人们已合成的纳米等级的立方氮化硼，其硬度比金刚石还要高，成为硬度第一的材料，该材料在一定程度上可以代替金刚石，该材料的发放不算成熟，需要继续研究。
        1.3 研究目的和意义
        氮化硼为非常常见的一种拥有环境净化的材料，而聚氨酯更是现代塑料工业中发展最快的材料之一。本课题拟以聚氨酯为基体，氮化硼纳米片为填充相，制备具有不同质量浓度的氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料，并对复合泡沫材料的吸收有机溶剂和染料的能力进行研究。本课题拟制备一种新型纳米复合材料，为氮化硼在污水处理中的应用提供新的思路和方法。
        2 实验部分
        2.1 实验步骤氮化硼/聚氨酯复合泡沫的制备
        （1）分别称取0mg，20mg，40mg，100mg氮化硼分散到500μLNMP中，震荡。
        （2）向氮化硼溶液中加入1g聚氨酯白料，之后再迅速加入800μL（1g）聚氨酯黑料，震荡10~30s，放入烧杯进行发泡。
        （3）将冷却至室温的烧杯放入90°烘箱中干燥6小时，得到氮化硼浓度为0%、1%，2%，5%的氮化硼/聚氨酯泡沫。
        （4）将样品裁剪成0.5 cm长宽高的正方形，样品拍照。
        2.2 样品的有机溶剂吸收能力测试
        将聚氨酯/氮化硼复合材料分别在环己烷、四氯化碳、甲醇溶剂中浸泡30min，观察形貌变化；将样品取出，称量吸附有机溶剂之后的样品质量（最终质量），并计算吸收率：吸收率=（最终质量-初始质量）/初始质量。之后选择吸收率最低的溶剂，分别测试0%、1%、2%、5%浓度下的聚氨酯/氮化硼复合材料的吸收率。
        2.3 染料吸附实验
        将一定质量的苏丹红溶解到环己烷中，配置环己烷、水混合溶液（体积比1：1）。之后将聚氨酯/氮化硼复合材料浸泡到混合溶液中，观察复合材料吸附染料的效果，并计算吸收率。
        3 结果与讨论
        3.1 氮化硼/聚氨酯（BN/PU）复合材料的制备
        实验表明具有不同质量分数BN的BN/PU复合泡沫，可以看出不同质量分数的复合泡沫在宏观尺度上没有明显差异。
        3.2 样品的红外光谱检测分析

        如图3-1所示，在BN的红外光谱图中，在809和1375 cm-1处有两个BN的B -N键吸收峰。在PU中1731cm-1处是C=O伸缩振动峰，3332cm-1处是PU中N-H的伸缩振动峰，1601cm-1处是PU中N-H的弯曲振动峰，1250~1000cm-1处很宽的峰是PU中C=O，C=C，C≡N的伸缩振动峰。在BN/PU的特征峰同时可以看出BN和PU的特征吸收峰，表明氮化硼和聚氨酯已成功复合。
        3.3 样品的XRD检测分析

        图3-2A是氮化硼的XRD谱图，在26.70°处可以看到BN的强衍射峰。由图3-2B可以看出，PU在15°—25°之间存在一个宽的馒头峰，是属于聚氨酯的衍射峰。而在BN/PU复合材料中，同时存在26.70°处BN的衍射峰和PU的15°-25°之间的衍射峰，表明成功制备了聚氨酯/氮化硼复合材料。
        3.4 样品的扫描电镜观测分析
        用扫描电子显微镜（SEM）把BN/PU复合材料在200倍和50000倍下进行扫描。可以看出，制备的BN/PU复合材料具有多孔的结构，孔洞直径约为200-300μm。可以看出，聚氨酯中镶嵌着氮化硼纳米片，氮化硼纳米片约为300nm，且在聚氨酯中分布均一。
        3.5 样品有机溶剂吸收能力测试分析
        将5%BN/PU泡沫裁成一定形状，称量其质量，把所得泡沫分别浸入甲醇、四氯化碳、环己烷中，静置30min，称量吸附有机溶剂之后的样品质量，计算吸收率。吸收率=（最终质量-初始质量）/初始质量，吸收率如图所示，从图3-3中可以看出泡沫对四氯化碳的吸收率最好，对甲醇的吸收率居中，对环己烷的吸收率最差。同时，我们研究了不同质量分数的BN/PU复合材料对环己烷的吸收率，见图3-4。可以看出，氮化硼质量分数的增加反而会略微降低环己烷的吸收率。原因可能是氮化硼堵住了聚氨酯泡沫的气孔，降低了其吸附能力。

         3.5 染料吸附能力测试分析
        将一定质量的苏丹红溶解到环己烷中，配置环己烷、水混合溶液（体积比1：1）。之后将5%BN/PU浸泡到混合溶液中，观察样品吸附染料的效果，可看出样品变为橙红色。经计算其吸收率=3.4548。说明聚氨酯/氮化硼复合材料不仅能够吸附有机溶剂，对染料也有良好的吸附能力。
        4 结论
        本课题的主要研究内容为氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料，实验通过在聚氨酯黑料和聚氨酯白料合成聚氨酯时加入氮化硼，使其形成了氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料。并利用红外、XRD、扫描电镜观察是否成功制成了氮化硼/聚氨酯复合泡沫材料，之后测试了其对染料的吸收率。本课题可得出以下结论：
        1.由红外吸收光谱和XRD谱图可知，我们成功制备了氮化硼/聚氨酯复合材料。由扫描电镜图分析可知，制备的氮化硼/聚氨酯复合材料具有多孔结构，且氮化硼纳米片分布均一。
        2.由有机溶剂和染料吸附测试可知，制备的氮化硼/聚氨酯复合材料对有机溶剂和染料具有吸附能力，但吸附能力与聚氨酯相比略有降低。原因可能是氮化硼堵住了聚氨酯泡沫的气孔，一定程度上降低了其吸附能力。
        参考文献：
        [1] 张旺玺，卢金斌.立方氮化硼材料的制备、性能及应用[J].中原工学院学报2011.22（2）：25-28.