一种有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，属于聚氨酯材料技术领域。具体方法是将拥有互补形状的负泊松比性质的热固性聚氨酯弹性体骨架与热塑性聚氨酯弹性体基质进行填塞组合，在一定温度压力下愈合反应得到一体化的具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料。本发明专利技术通过“减材制造”得到具有负泊松比性质的高模量热固性聚氨酯弹性体“骨架”结构和低模量热塑性聚氨酯弹性体“基体”结构。采用两种聚氨酯弹性体氢键及动态共价键带来的界面愈合策略，利用填充方式构建“骨架

【技术实现步骤摘要】
一种有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法
[0001]
：本专利技术属于聚氨酯弹性体材料领域，具体涉及一种具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法。
[0002]
技术介绍
：泊松比可以影响材料的变形形状，是决定材料弹性行为的一个关键参数。从固体力学角度来看，泊松比也是调节剪切模量和体模量的一个主要力学参数。材料一般具有固定的正泊松比值，例如弹性体的泊松比为0.5。具有负泊松比性质的材料一般称为拉胀材料。作为一种新型的机械超材料，拉胀材料在轴向压缩/拉伸时具有横向收缩/膨胀的特性。与传统材料相比，拉胀材料具有许多优越的性能，如抗剪切、抗断裂、同向行为、可变渗透性和能量吸收能力等。得益于其特殊的力学性能，机械超材料打破了人类对传统材料力学属性的认知局限，它的研究及开发对基础研究、工程应用和人们的日常生活有着重要意义，在医疗器械、智能传感器电子系统和纺织工业有着巨大的应用潜力。
[0003]近年来，受益于先进3D打印等增材制造技术及激光切割等减材技术的快速发展，机械超材料的研究取得了卓越的成果，实现了一系列自然界罕见甚至并不存在的反直觉的特异性力学性能。在所有材料中，弹性体可以赋予材料较好的拉伸能力，承受更大的变形。像其他材料一样，弹性体材料的固有泊松比值无法调节，而引入几何结构后，弹性体的泊松比可以降至0甚至0以下。但值得注意的是，弹性体材料一旦经过剪裁等图案化过程，其断裂强度、断裂伸长率等机械性能都会大大降低，极大限制其在高刚度、高强度和能量吸收等功能材料领域的应用。
[0004]为解决拉胀弹性体材料力学性能降低的问题，目前人们主要采用如下两种方法。一种是增强基体本身性能。通过调控高分子网络结构，引入可逆缔合作用(如可逆动态共价键、金属的配位作用、氢键作用及离子相互作用等)，实现基体自身性能的提升。但受限于可逆缔合的低键能及不稳定性，材料力学性能的提升往往有限。另一种策略是通过特殊的互补结构进行复合设计。如设计骨架
‑
填充结构、多层结构、核壳结构等，或将碳纳米管、金属、低熔点合金等功能组份与聚合物基体复合。但这些复合方法无法解决两相界面结合强度小、材料局部剥离等问题，影响材料工作的稳定性。
[0005]本专利技术通过设计“骨架
‑
基质”软硬结合的图案化负泊松比结构，借助动态化学的手段，包括氢键等非共价相互作用以及硼酯键、间乙烯氨酯键、二硫键等动态共价键，使低模量基质和高模量骨架材料在室温愈合，材料的应力得以重新分布，实现对弹性体拉胀性能及力学性能的精准调控，解决拉胀材料力学性能差和界面稳定性差等缺陷，获得一种具有负泊松比性质的高性能聚氨酯弹性体复合材料。
[0006]
技术实现思路
：本专利技术克服聚氨酯弹性体强机械性能和自愈合能力间的固有矛盾，提供一种具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料及其制备方法，为解决传统拉胀聚氨酯弹性体复合材料界面结合强度弱、力学性能差等问题提供一种新思路。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
（1）将双异氰酸酯封端的化合物a和与双羟基封端的化合物b溶于溶剂中，在60
±
5℃下反应1
‑
3 h。之后将扩链剂c与交联剂d加入到反应体系中，在60
±
5℃下继续反应18
‑
22 h。除去溶剂后得到热固性聚氨酯弹性体，将所制备的热固性聚氨酯弹性体剪裁成负泊松比性质的几何结构，获得具有负泊松比性质的热固性聚氨酯弹性体骨架A；（2）将双异氰酸酯封端的化合物a和与双羟基封端的化合物b溶于溶剂中，在60
±
5℃下反应1
‑
3 h。之后将扩链剂c加入到反应体系中，在60
±
5℃下继续反应18
‑
22 h。除去溶剂后，在所制备的热塑性聚氨酯弹性体上剪裁出填满所述热固性聚氨酯弹性体骨架A空隙的热塑性聚氨酯弹性体基质B；（3）将拥有互补形状的热固性聚氨酯弹性体骨架A与热塑性聚氨酯弹性体基质B进行填塞组合，在25~60℃、0.5~1.5 MPa的压力下愈合反应0.1~7h，得到一体化的具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料C。
[0008]上述步骤（1）（2）所述的双异氰酸酯封端的化合物a为甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、二苯基二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯等化合物中的一种或多种。
[0009]上述步骤（1）（2）所述的羟基封端的化合物b为聚乙二醇、聚丙二醇、聚己二酸新戊二醇酯、聚四亚甲基醚二醇、聚己基碳酸酯二醇的一种或多种。
[0010]上述步骤（1）（2）所述的扩链剂c为N,N'
‑
二叔丁基乙二胺、2,2
′‑
(1,4
‑
亚苯基)
‑
双[4
‑
硫醇
‑
1,3,2
‑
硼氧烷]、丁二酮肟、4,4
‑
二硫代二苯胺、2,2
‑
二硫代二苯胺、3,3
‑
二羟基二苯二硫醚、4,4
‑
二羟基二苯基二硫醚、3,3'
‑
二硫代双(丙烷
‑1‑
醇)、二(2
‑
羟基
‑1‑
萘基)二硫醚中的一种或多种。
[0011]上述步骤（1）所述的交联剂d为3
‑
氨基苯酚、对氨基苯酚、3,4
‑
二羟基苯胺、2,4
‑
二氨基
‑6‑
羟基嘧啶、2
‑
羟基
‑
4,6
‑
二氨基嘧啶中的一种或多种。
[0012]上述步骤（1）所述的热固性聚氨酯弹性体A各原料的配比为：双异氰酸酯封端的化合物a25~46重量份、双羟基封端的化合物b50~70重量份、扩链剂c 5~10重量份、交联剂d 1~4重量份。
[0013]上述步骤（2）所述的热塑性聚氨酯弹性体B中各原料的配比为：双异氰酸酯封端的化合物a 25~46重量份、双羟基封端的化合物b50~70重量份、扩链剂c 10~20重量份。
[0014]上述步骤中所述的溶剂包括二甲基亚砜、N, N
‑
二甲基甲酰胺、氯仿、二氯甲烷、丙酮、N, N
‑
二甲基乙酰胺、四氢呋喃中的一种或多种。
[0015]上述步骤（1）（2）所述具有负泊松比性质的几何结构包括内凹多边形结构、旋转刚体结构、手性结构、穿孔板结构、联锁多边形结构、交错肋结构中的一种或多种。
[0016]上述步骤（1）（2）所述热固性聚氨酯弹性体的剪裁方法为激光切割。
[0017]有益效果:其一，本专利技术借助超分子化学及动态共价化学的手段，利用弹性体材料内部所含氢键及动态共价键的室温愈合特点，将热塑性聚氨酯弹性体与热固性聚氨酯弹性体有效复合，在不添加额外有机试剂的条件下制备一体化材料，解决聚氨酯弹性体材料力学性能差和界面稳定性差等缺陷。
[0018本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于：所述复合材料的制备方法包括如下步骤：（1）将双异氰酸酯封端的化合物a和与双羟基封端的化合物b溶于溶剂中，在60
±
5℃下反应1
‑
3h；之后将扩链剂c与交联剂d加入到反应体系中，在60
±
5℃下继续反应18
‑
22h；除去溶剂后得到热固性聚氨酯弹性体；将所制备的热固性聚氨酯弹性体剪裁成负泊松比性质的几何结构，获得具有负泊松比性质的热固性聚氨酯弹性体骨架A；（2）将双异氰酸酯封端的化合物a和与双羟基封端的化合物b溶于溶剂中，在60
±
5℃下反应1
‑
3 h；之后将扩链剂c加入到反应体系中，在60
±
5℃下继续反应18
‑
22 h；除去溶剂后，在所制备的热塑性聚氨酯弹性体上剪裁出填满所述热固性聚氨酯弹性体骨架A空隙的热塑性聚氨酯弹性体基质B；（3）将拥有互补形状的热固性聚氨酯弹性体骨架A与热塑性聚氨酯弹性体基质B进行填塞组合，在25~60℃、0.5~1.5 MPa的压力下愈合反应0.1~7h，得到一体化的具有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料C。2.根据权利要求1所述的有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于：所述双异氰酸酯封端的化合物a为甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、二苯基二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、赖氨酸二异氰酸酯等化合物中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于：所述双羟基封端的化合物b为聚乙二醇、聚丙二醇、聚己二酸新戊二醇酯、聚四亚甲基醚二醇、聚己基碳酸酯二醇的一种或多种。4.根据权利要求1所述的有负泊松比性质的聚氨酯弹性体复合材料的制备方法，其特征在于：所述扩链剂c为N,N'
‑
二叔丁基乙二胺、2,2
′‑
(1,4
‑
亚苯基)
‑
双[4
‑
硫醇
‑
1,3,2
‑
硼...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡君，郑智然，李佳伟，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：