聚氨酯石墨烯复合材料研究进展

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聚氨基甲酸酯又称聚氨酯，即主链上含有重复氨基甲酸酯基团的化合物的统称，由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除含氨基甲酸酯外，还可含有适量的醚、酯、脲、缩二脲和脲基甲酸酯等基团。由于聚氨酯分子基团的差异，其可用于制造塑料、橡胶、纤维、硬质和软质泡沫塑料等不同材料。石墨烯是一种二维材料，具有六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，因此具有良好的力学性能、导电性、导热性和抗菌性等。利用聚氨酯分子基团性能的差异性和石墨烯良好的功能性，制备的聚氨酯/石墨烯复合材料在发泡、接枝、掺杂等方面表现优良，因此在电磁屏蔽、导电、阻燃、耐腐蚀及生物抗菌等领域中具有潜在的应用价值。根据原材料选择的不同、添加剂种类的各异、催化剂和分散剂品种的差别，可以得到种类丰富的聚氨酯/石墨烯复合材料。相较于纯聚氨酯，聚氨酯/石墨烯表现出卓越的弹性、硬度、附着力、耐久性等物理性能和优异的耐化学药品性、导热性、耐腐蚀、抗菌、阻燃等化学性能。近年来，在聚氨酯/石墨烯复合材料的研究方面已开展大量工作并取得了明显的进步。

聚氨酯/石墨烯的力学性能

聚氨酯/石墨烯复合材料具有优异的强度、硬度、塑性、弹性、抗压、摩擦性能等力学性能。石墨烯及其掺杂体系对聚氨酯树脂材料力学性能的影响见表1。

表 1 石墨烯对聚氨酯力学性能的影响

聚氨酯/石墨烯的热性能

聚氨酯/石墨烯复合材料虽然在力学、弹性、硬度等方面有良好的性能，但在热性能方面表现并不突出。为了有效地改善它的热性能，研究人员对石墨烯进行了功能化处理，有效调节了聚氨酯的散热、保温、热电等性能，改性石墨烯及其掺杂体系对聚氨酯树脂材料热性能的影响见表2。

表 2 石墨烯及掺杂体系对聚氨酯热性能的影响

聚氨酯/石墨烯的导电性能

近年来，聚氨酯导电性的研究相对较少，而氧化石墨烯和碳纳米管均具有良好的电性能，研究发现聚氨酯与两者结合也具有一定导电性。

氧化石墨烯可以制成粒子电极，对废水进行处理。研究人员采用氧化聚合法制备导电聚氨酯/氧化石墨烯粒子电极，将其在三维电极反应器中降解左氧氟沙星，结果表明，在pH为7、电压为6V、曝气量为2.0L/min、初始浓度为20mg/L的条件下，降解率可达90%以上。

碳系材料中的石墨烯具有超强的导电率(约为106S/m)，因此被认为是最具有潜力的导电填料之一。研究人员利用水热还原法制备三维石墨烯。他将液态的聚硫寡聚体倒入三维的石墨烯-聚氨酯骨架中，制备聚硫橡胶复合材料。研究表明，当三维的石墨烯-聚氨酯的质量分数达到0.5%时，聚硫橡胶复合材料的体积电阻率是2.6×106Ω·cm，与纯的聚硫橡胶(1011Ω·cm)相比，降低了5个数量级，对聚硫橡胶的导电性具有良好的促进作用。科学家曾用三氧化铁对石墨烯进行化学沉积改性，得到磁性石墨烯，通过与聚氨酯共混，制备磁性聚氨酯/石墨烯柔性复合材料，进一步降低了复合材料的表面电阻率。

聚氨酯/石墨烯的抗菌性能

通常采用大肠杆菌和金黄色葡萄球菌两种细菌来评价材料的抗菌性能。金属氧化物常用作抗菌材料，它的抗菌性源于氧化物中含有活性氧，因此常与氧化石墨烯进行复合，起到协同抗菌的效果。石墨烯作为一种优异的抗菌材料，有较好的分散性和较大的比表面积，与壳聚糖复合表现出很强的抗菌活性，使细菌与石墨烯纳米片的接触率更高。研究人员将壳聚糖修饰的石墨烯纳米片引入到聚氨酯基体中，合成了聚氨酯/石墨烯纳米复合膜。可以看出，空白聚氨酯样品在与革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌接触时没有显示出抑菌圈和抗菌活性。但将2g的壳聚糖修饰的石墨烯纳米片引入聚氨酯基质中可以更有效地增强对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌活性，抑菌圈分别为6.1~10.2mm和2.9~5.1mm。

聚氨酯/石墨烯的耐腐蚀性能

纯聚氨酯的耐腐蚀性不强，但石墨烯与聚氨酯复合体系对金属表面的腐蚀和电化学腐蚀等具有很好的去除效果，石墨烯及其掺杂体系与聚氨酯树脂复合体系的耐腐蚀性见表3。

表 3 石墨烯对聚氨酯耐腐蚀性的影响

由于石墨烯的平面结构，其表现出良好的阻隔耐腐蚀性，常被用作耐腐蚀复合材料的载体，将石墨烯与其它金属氧化物进行复合，能够起到协同抗腐蚀的作用，并且能够有效防止其在复合材料中的团聚现象。研究表明，含有氧化锌/还原石墨烯的聚氨酯复合材料的耐腐蚀效率可达99.09%，优于氧化锌/多壁碳纳米管复合材料的耐腐蚀效率(95.24%)。可见，含有二维还原石墨烯的材料的防腐效率明显优于一维体系。

聚氨酯/石墨烯的阻燃性能

纯聚氨酯多孔材料的阻燃效果较差，其极限氧指数为17.5%左右。研究者利用二维片层石墨烯及其掺杂体系进一步改善聚氨酯的阻燃性能，并通过锥形量热仪、热重分析仪、极限氧指数等方法对其阻燃性能进行表征分析。

结语

聚氨酯在汽车、石化、冶金、机械、纺织等领域都发挥了独特的优势，而纯聚氨酯在力学强度、热性能、导电性、阻燃性、抗菌性、耐腐蚀性等方面还存在一些不足，无法满足一些高功能产品和高性能领域的需要，所以如何进一步提高聚氨酯的性能受到众多研究人员的关注。

聚氨酯/石墨烯的研究进展迅速，尤其是六方氮化硼、苯胺低聚物、碳纳米管、木粉、碳化钛等一维和二维体系与石墨烯混合掺杂，对进一步扩宽石墨烯在聚氨酯中的应用提供了理论和实践参考。同时，聚氨酯/石墨烯的应用研究仍然具有很大的发展空间，如聚氨酯/单一改性石墨烯的高性能化和高功能化的研究，改性石墨烯和不同维数填料的复配相容性及对聚氨酯高性能化和高功能化的影响研究等。

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