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研究生:張凱文
研究生(外文):Kai-Wen Chang
論文名稱:不同膨潤劑對於聚氨酯-黏土奈米複合發泡材料製備與特性影響之比較性研究
論文名稱(外文):Comparative Studies for the Effect of Different Swelling Agent on the Preparation and Properties of Polyurethane-Clay Nanocomposite Foams
指導教授:葉瑞銘葉瑞銘引用關係
指導教授(外文):Jui-Ming Yeh
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學研究所
學門:自然科學學門
學類:化學學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:126
中文關鍵詞:聚氨酯泡棉聚氨酯黏土奈米複合材料化學發泡
外文關鍵詞:Chemistry foamingPolyurethane foamPolyurethane - clay nanocomposite
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本論文旨在使用兩種不同的膨潤劑(CH3(CH2)15N(Br)(CH3))3與C23H24BrO2P)以「陽離子交換反應」對同ㄧ種黏土(Clay)進行表面改質。其次,以「原位聚合法」將改質後的有機黏土分散至聚氨酯(Polyurethane)中去製備聚氨酯-黏土奈米複合發泡材料,並進行化學結構的鑑定及物理性質的分析。以X-ray 繞射儀(XRD)、傅立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)鑑定其表面化學結構;以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察發泡材料之表面型態,藉以計算其泡體尺寸大小及泡體緻密性,並利用SEM mapping觀察黏土的分散狀態。而發泡材料的物性檢測方面,則以示差掃描量熱儀(DSC)、熱重分析儀(TGA)分析發泡材料的熱性質;利用萬能拉伸試驗機測試其機械性質。
末端具反應性官能基(OH)的膨潤劑C23H24BrO2P所改質的有機黏土在聚氨酯發泡體(Polyurethane Foam)中有較佳的分散效果,化學發泡效果好,且平均孔徑小、緻密度高;經膨潤劑改質後的有機黏土均能有效提昇發泡體的機械性質與熱性質。在結果討論與結論中將以兩種改質劑的簡稱(CTAB、CTPB)來區分其物性與化性之研究分析結果。



The present paper will be for the purpose of using two kinds to change nature medicinal preparation (CH3(CH2)15N(Br)(CH3))3 and C23H24BrO2P differently) by “cation exchange reaction” will carry on the surface with kind of Clay to change the nature.Next, will have, the non-function base after “In-situ polymerization” changes the nature medicinal preparation to change the nature organic clay to disperse to polyurethane in prepares the polyurethane - clay nanocomposite foam, and will carry on the chemical constitution to decide and the physical property analysis.By X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared spectrometer (FT-IR) to decide its surface chemistry structure; Scans type electron microscope (SEM) to observe surface of state the foaming material, so as to calculates it to soak the body size size and to soak the body compactness, and using SEM mapping observation clay dispersed state.About foaming material natural examination aspect, then shows difference scanning calorimetry meter (DSC), thermogravimetry analyzer (TGA) analyzes the foaming material the thermal property; Uses the multi-purpose stretch testing machine to test its mechanical property.
The terminal has reactivity function base (OH) to change the nature medicinal preparation to change the archery target organic clay Polyurethane Foam to have the good dispersible effect in the polyurethane foaming body, the chemistry foaming effect is good, also the average aperture small, sends the density to be high; After changes the nature medicinal preparation to change the nature differently the organic clay to be able to promote the foaming body effectively the mechanical property and the thermal property.



目錄
中文摘要........................................I
英文摘要........................................Ⅱ
誌謝............................................IV
目錄............................................V
圖目錄..........................................IX
表目錄..........................................XII
第一章 緒論.........................................1
1.1前言............................................1
1.2奈米複合材料………………………………………………………3
1.3聚氨酯樹脂…………………………………………………………4
1.4研究動機……………………………………………………………6
第二章 文獻回顧與理論基礎…………………………………………7
2.1奈米複合材料簡介…………………………………………………7
2.1.1奈米複合材料之定義…………………………………………….7
2.1.2奈米複合材料之類型與特性……………………………….....9
2.2層狀黏土簡介……………………………………………………..13
2.3改質劑簡介………………………………………………………..17
2.4聚氨酯樹脂簡介…………………………………………………..19
2.4.1歷史背景………………………………………………………...19
2.4.2聚氨酯樹脂的化學反應…………………………………………22
2.4.3聚氨酯樹脂之微相分離型態…………………………………....25
2.4.4單體種類…………………………………………………………26
2.4.5硬鏈段及軟鏈段含量……………………………………………28
2.4.6硬、軟鏈段之平均鍵長…………………………………………28
2.4.7硬、軟鏈段之結晶能力…………………………………………28
2.4.8熱性質……………………………………………………………29
2.4.9氫鍵鍵結情況……………………………………………………29
2.4.10聚氨酯的架構及其應用………………………………………..30
2.5聚氨酯發泡體簡介………………………………………………...31
2.5.1發泡體與海綿……………………………………………………31
2.5.2聚氨酯發泡體的化學反應………………………………………32
2.5.3發泡原理…………………………………………………………35
2.5.3.1氣泡的成核與成長…………………………………………….36
2.5.3.2泡孔結構與其性質之關係…………………………………….37
2.5.4聚氨酯發泡體的配方……………………………………………39
2.5.4.1異氰酸酯(Isocyanate)………………………………………40
2.5.4.2多元醇(Polyol)……………………………………………...40
2.5.4.3鏈延長劑(Chain extender)……………………………………...41
2.5.4.4催化劑(Catalyst) ……………………………………………….42
2.5.4.5界面活性劑(Surfactant)………………………………………...42
2.5.4.6發泡劑(Blowing agent)…………………………………………44
2.5.4.7填充料(Filler)……………………………………………………45
2.5.5聚氨酯發泡體製造法……………………………………………..46
2.5.5.1發泡方法………………………………………………………...46
2.5.5.2發泡劑…………………………………………………………...48
2.6文獻回顧整理…………………………………………………….....50
2.6.1 聚氨酯-黏土奈米複合發泡材…………………………………...50
第三章 實驗材料、設備與實驗方法………………………………….52
3.1實驗藥品…………………………………………………………….52
3.2實驗儀器…………………………………………………………….54
3.3實驗方法…………………………………………………………….57
3.3.1蒙脫土之改質……………………………………………………..58
3.3.2聚氨酯預聚物(PU Prepolymer)之合成……………………….60
3.3.3聚氨酯-黏土奈米複合發泡體的製備…………………………....62
3.3.4實驗裝置…………………………………………………………..64
3.4儀器量測實驗……………………………………………………….65
3.4.1紅外線光譜分析(FTIR)………………………………………..65
3.4.2 X光繞射分析(XRD)…………………………………………..66
3.4.3掃描式電子顯微鏡(SEM)……………………………………..67
3.4.4 SEM Mapping……………………………………………………..67
3.4.5熱裂解溫度分析(TGA)………………………………………..67
3.4.6玻璃轉化溫度(Tg)分析(DSC)…………………………….68
3.4.7機械性質測試…………………………………………………….68
3.4.8表面硬度測試....................................69
3.4.9密度測試(Density)…………………………………………….69
3.4.10 NCO官能基濃度滴定分析……………………………………70
第四章 結果與討論……………………………………………………72
4.1物性鑑定……………………………………………………………72
4.2結構鑑定……………………………………………………………80
4.3熱性質測試…………………………………………………………89
4.4機械性質測定………………………………………………………95
4.5表面性質測試…………………………………………………...….99
4.6密度測試…………………………………………………………..100
4.7發泡反應時間測定………………………………………………..102
第五章 結論…………………………………………………………..103
第六章 參考文獻……………………………………………………..108
圖目錄
圖1-1異氰酸酯與水的反應……………………………………………..5
圖2-1高分子/ 黏土奈米複合材料之分類…………………………….9
圖2-2以原位聚合法(In-Situ Polymerization)製備高分子/黏土奈米
複合材料之反應機制流程圖10 ………………………………………..12
圖2-3 黏土之結晶構造圖……………………………………………..15
圖2-13 氨基甲酯(allophanate)的結構……………………………..22
圖2-14 尿素結構形成…………………………………………………23
圖2-15 縮二脲的結構…………………………………………………23
圖2-16 氨基甲酯(urethane)的交聯結構……………………………24
圖2-17 硬鏈段與軟鏈段………………………………………………25
圖2-18 微相分離結構…………………………………………………26
圖2-19 發泡體的構造………………………………………………….31
圖2-20 聚氨酯發泡體多角形結構體…………………………………32
圖2-21 ㄧ次法(One-Shot)發泡製程………………………………46
圖2-22 預聚物法(Prepolymer)發泡製程………………………….47
圖3-1 實驗流程圖……………………………………………………..57
圖3-2 蒙脫土改質流程圖……………………………………………..59
圖3-3 聚氨酯預聚物合成反應化學式………………………………..61
圖3-4聚氨酯-黏土奈米複合發泡體實驗流程……………………......63
圖3-5預聚物合成反應裝置圖...............................64
圖3-6萬能拉伸試驗機裝置略圖………………….………………..….69
圖4-1 PPG-400、HDI與聚氨酯預聚物的FTIR光譜圖………………74
圖4-2 黏土改質後的FTIR光譜圖……………………………………76
圖4-3變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之FTIR光譜圖…78
圖4-4變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之FTIR光譜……79
圖4-5黏土改質之XRD圖…………………………………………….81
圖4-6變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之XRD圖………82
圖4-7變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之XRD圖………82
圖4-8變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之SEM圖……...85
圖4-9變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之SEM圖………86
圖4-10變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之SEM Mapping圖………………………………………………………………………..88
圖4-11變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之SEM Mapping圖………………………………………………………………………..89
圖4-12變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之TGA圖…….91
圖4-13變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之TGA圖………91
圖4-14 聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之10%熱損失曲線圖…………92
圖4-15變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTAB)之DSC圖…….94
圖4-16變化黏土添加量對聚氨酯發泡體(CTPB)之DSC圖………94
圖4-17楊氏模數(Young’s modulus)曲線圖………………………..97
圖4-18斷裂伸長率(Elongation at Break %)之曲線圖……………..98
圖4-19抗張強度(Tensile)之曲線圖…………………………………98
圖4-20聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之硬度曲線圖………………….99
圖4-21聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之密度曲線圖………………...101
圖4-22聚氨酯-黏土奈米複合發泡體之Rise time曲線圖………102
表目錄
表1-1奈米材料之特性與用途…………………………………………2
表2-1黏土之種類………………………………………………………16
表2-3常見的二異氰酸酯單體…………………………………………27
表2-4彈性聚氨酯發泡體基本原料組成………………………………39
表3-1聚氨酯合成配方………………………………………………..61
表3-2聚氨酯發泡體原料配方比………………………………………63
表3-3黏土含量…………………………………………………………63
表3-4 Characteristic absorption peaks of FT-IR spectra of polyurethane/clay nanocomposite………………………………………66
表4-1 聚氨酯-黏土之FTIR官能基吸收峰對照表………………….79
表 4-2 發泡體孔徑……………………………………………………87
表 4-3 添加不同比例黏土的聚氨酯發泡體之熱裂解溫度…………92
表 4-4 添加不同比例黏土的聚氨酯發泡體之玻璃轉移溫度………95
表 4-5 添加不同含量有機黏土的楊氏模數、斷裂伸長率、抗張強度數據表…………………………………………………………………97
表4-6 所有樣品之硬度值……………………………………………100
表4-7 所有樣品之密度………………………………………………101
表4-8 發泡體成形時,不同的反應時間表…………………………102


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