论文总字数：14937字

摘 要

日益严重的空气污染使得臭氧层越发薄弱，导致地表受到的紫外辐射越来越强，将会对生物健康和材料寿命都造成负面影响，因此紫外屏蔽材料的研发是很有必要的。本文以水性聚氨酯（WPU）这种安全环保的高性能材料为基体，通过原位聚合的方法加入MXene对其进行改性，制备了一类透明紫外屏蔽涂层。原位聚合所形成的交联结构使得材料的拉伸强度由31.07 MPa提高到了了38.56 MPa。此外，MXene对紫外光和可见光具有不同的吸收率，使得材料能够在获得较高紫外屏蔽率的同时保留较好的可见光透过率。与物理共混法的对比表明，原位聚合法所得薄膜在可见光透过率和拉伸强度方面都优于物理共混法。

关键词： 水性聚氨酯 涂料 紫外屏蔽 MXenes

Study of MXene modified waterborne polyurethane by in-suit polymerization

Abstract

The ozone layer is getting weaker due to increasingly serious air pollution, which will cause the surface of the earth to be exposed to more and more ultraviolet radiation. It will have a negative impact on bio-health and material life. Therefore, the development of UV shielding materials is necessary.Waterborne polyurethane (WPU), a kind of safe and environmentally friendly high-performance material, was used as matrix to prepare a type of transparent UV-shielding coating by adding MXene by in-situ polymerization.The crosslinked structure formed by in-situ polymerization increased the tensile strength of the material from 31.07 MPa to 38.56 MPa. In addition, MXene has different absorption rates for ultraviolet and visible light, allowing the material to achieve higher UV shielding while retaining better visible light transmission.The comparison with the physical blending method shows that the film obtained by the in-situ polymerization method is superior to the physical blending method in terms of visible light transmittance and tensile strength.

Keywords: Waterborne Polyurethane; MXene; Coating; UV shielding

目 录

摘 要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 引言

1.2 水性聚氨酯概述

1.2.1水性聚氨酯的分类

1.2.2水性聚氨酯的制备过程

1.2.3水性聚氨酯的制备方法

1.2.4 水性聚氨酯的改性

1.2.5水性聚氨酯涂料

1.3MXene概述

1.3.1 MXene简介

1.4 本文研究的内容及实验的目的和意义

1.4.1 实验研究内容

1.4.2 试验的目的和意义

第二章 实验部分

2.1 实验原料与仪器设备

2.1.1 实验原料

2.1.2 实验仪器

2.2 实验原理

2.2.1 水性聚氨酯的合成步骤

2.2.2 水性聚氨酯的合成原理

2.3 实验操作

2.3.1 MXenes的改性

2.3.2 水性聚氨酯的制备

2.3.3 胶膜的制备

2.4 性能测试及表征

2.4.1改性MXene表征

2.4.2 力学性能测试

2.4.3 光学性能测试

第三章 结果与讨论

3.1 改性MXene表征

3.2 力学性能

3.3光学性能

第四章 结论与展望

参考文献

致谢

第一章 文献综述

1.1 引言

聚氨酯（PU）是由大分子二醇作为软段（SS），多异氰酸酯、低分子量二元醇或二元胺作为硬段（HS）聚合成的主链上含有氨基甲酸酯（—NHCOO—）重复结构单元的高分子聚合物^[1]。聚氨酯分线型和体型，它耐高温、力学拉伸性能强、柔韧性好，使得聚氨酯在同类产品脱颖而出。在聚氨酯产品刚被研发出来时，人们大多选用油性溶剂来合成聚氨酯，主要是为了避免多异氰酸酯因为反应活性太大而与单体发生聚合反应。随着绿色健康环保的观念深入人心，以水为溶剂的水性聚氨酯（WPU）被研发出来并将溶剂型聚氨酯取而代之，由于其绿色环保，且安全高效，广泛应用于布料印染、医学器械、功能性复合材料、胶粘剂、建材等领域^[1]。

但是水性聚氨酯分子链大都是线型结构，很难获得高交联密度，且将亲水基团引入链段结构中，使其形成的涂膜初粘力较低、耐水性差、形成的乳液稳定性不好^[20]，因此需要科研人员对水性聚氨酯进行测试并完善其加工工艺，通过改性来改善其各方面性能。

MXene是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物, 具有类似石墨烯的二维结构, 其化学通式是M_{n 1}X_nT_z，n=1，2，3，其中M早期过渡金属元素,X为碳或氮元素,T为表面链接的F^-、OH^-、O₂^-等活性官能团^[3]。通过化学液相法可以选择性蚀刻掉MAX相中的A元素得到相应的MXene相，现今较为成熟的制备方法是HF蚀刻法^[3]。对MXene的结构与性能进行的第一性原理计算表明,其具有独特的二维层状结构、较大的比表面积及良好的导电性、稳定性、磁性能和力学性能^[3]，若将MXene与聚氨酯材料相结合，可制得各项性能优异且用途广泛的复合材料。MXene作为新型功能性填料，少量即可显著增强WPU材料的热学、力学、导电性能。通过物理共混法可以制备水性聚氨酯/MXene复合材料，但由于MXene尺寸极小，表面自由能高，颗粒易团聚，单纯的机械搅拌会导致MXene与聚合物基质的相容性差，分散不均。而通过原位聚合法就可以制得相容性好的复合材料，且在力学性能和紫外屏蔽方面有更大的优势。

1.2 水性聚氨酯概述

1.2.1水性聚氨酯的分类

依使用形式可将WPU分为单组份和双组分两类

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