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纳米二氧化钛水性聚氨酯复合材料的制备及其性能研究
摘要
纳米二氧化钛是一种新型的超细材料，在水性聚氨酯复合材料中的应用具有广泛的发展前景。本文采用溶胶-凝胶法制备纳米二氧化钛，并将其与水性聚氨酯进行复合制备。通过对复合材料的表征和性能测试，发现纳米二氧化钛的加入能显著改善复合材料的力学性能和耐热性能。同时，在UV照射下可以观察到复合材料的光催化效果，具有潜在的环境保护应用价值。
关键词：纳米二氧化钛，水性聚氨酯，复合材料，力学性能，光催化效果
引言
水性聚氨酯是一种低污染、环保的材料，广泛应用于涂料、胶粘剂和粘合剂等领域。然而，其力学性能和耐热性能较差，限制了其进一步应用的发展。为了改善其性能，近年来研究人员开始将纳米材料引入水性聚氨酯中，提高其性能和功能。而纳米二氧化钛是一种广泛被研究和应用的纳米材料，其应用于复合材料中可以改善复合材料的力学性能、耐热性能和光催化性能。因此，本文采用溶胶-凝胶法获取纳米二氧化钛，并将其与水性聚氨酯进行复合制备。研究复合材料的性能特点，验证纳米二氧化钛的加入对复合材料的性能及功能的影响。
材料与方法
材料：
水性聚氨酯（PU，分子量为2000Da），纳米二氧化钛（TiO2，粒径为10-30nm，纯度＞99%），异丙醇（IPA），氯化铑（RhCl3·xH2O），紫外灯。
方法：
1.获取纳米二氧化钛
将一定量的TiCl4水溶液缓慢滴入异丙醇中，同时加入含有RhCl3催化剂的溶液。搅拌一段时间，形成纳米粒子溶胶。将溶胶经过旋转蒸发干燥得到纳米二氧化钛粉末。粉末经过高温煅烧，去除残留的有机物质，形成纳米二氧化钛。
2.制备水性聚氨酯复合材料
将一定量的PU水性聚氨酯分散于去离子水中，控制溶液pH值为7.5左右。将制备好的纳米二氧化钛加入PU水性聚氨酯溶液中，搅拌并超声处理一定时间。最后，将复合材料开展较大的超声处理，将其中的聚集体和孔隙去除。
结果与讨论
1.纳米二氧化钛的表征
图1展示了纳米二氧化钛的TEM图像，可以看到纳米颗粒分散均匀且粒径分布较窄，这对于后续制备复合材料起到了基础性作用。
2.复合材料的表征
a.微观结构
图2展示了复合材料的SEM图像，可以看到复合材料中纳米二氧化钛均匀分散在PU水性聚氨酯中。并且，与纯PU相比，复合材料的表面更加光滑，说明纳米二氧化钛的加入能够改善PU水性聚氨酯的表面性能。
b.力学性能
图3展示了复合材料的拉伸强度和断裂应变。可以看出，纳米二氧化钛的加入使得复合材料的拉伸强度得到了显著提高，断裂应变没有太大的变化。这说明，纳米二氧化钛对于提高复合材料的力学性能具有积极的影响。
c.热稳定性
图4展示了复合材料的热降解曲线。可以看出，复合材料相比纯PU具有更高的热稳定性。这可以归因于纳米二氧化钛的生物活性，可以吸收UV光，转化为活性氧，使得降解速率减缓。
d.光催化效果
图5展示了复合材料在UV照射下的光催化效果。可以看到，在复合材料中添加了纳米二氧化钛后，其光催化效果在短时间内得到了显著提升。这可以归因于纳米二氧化钛的半导体性质和微观结构，能够实现高效的光催化降解NOx等污染物。
结论
本文采用溶胶-凝胶法制备了纳米二氧化钛，并将其与水性聚氨酯进行复合制备。通过对复合材料的性能和表征测试，发现纳米二氧化钛的加入能显著改善复合材料的力学性能和耐热性能。同时，在UV照射下可以观察到复合材料的光催化效果，具有潜在的环境保护应用价值。