使用互穿聚合物网络法优化材料性能

互穿聚合物网络是两种聚合物以网络的形式互相贯穿的聚集态结构。IPN 在溶剂中能溶胀不能溶解，且不能蠕变和流动。IPN 阻尼性能与各组分的化学结构、聚合反应速率、各组分的Tg和损耗因子、组分的相对含量、组分间的相容性、网络间的相互作用以及合成工艺等有关。合理调节这些影响因素，使IPN 阻尼材料各网络组分既有一定的相容性又呈一定的微观相分离形成各网络间既相互贯通、相互缠结、相互锁合，又各具独立性，两相之间既有性能的互补又有协同效果，使得IPN 材料的玻璃化转变区更宽，阻尼性能更优异。

IPN 技术的优点在于：①由于其独特的制备方法和网络互穿结构，两相强迫互容，各组分的相容性显著改善，形成稳定的聚合物共混物，从而实现组分之间性能或功能互补；②由于其特殊的结构、界面互穿、双相连续等形态特征以及由此产生的牢固界面结合，又使它们在宏观性能上产生特殊协同作用，并由此而提高最终产品的力学性能；③通过选择合适的组分和调节组分间的相容性、交联密度、组成比例和合成方法等，使体系黏度大幅度下降，在提高阻尼性能的同时可以改善加工工艺性能等。近年来运用IPN 技术改性TPU 阻尼性能的方法颇为广泛。

热塑性聚氨酯弹性体可以与多种聚合物形成IPN 网络，如热塑性聚氨酯弹性体／环氧树脂、热塑性聚氨酯弹性体／聚丙烯酸酯、热塑性聚氨酯弹性体／乙烯基树脂（VER）以及热塑性聚氨酯弹性体／聚二甲基硅氧烷（PDMS）等。

1. 热塑性聚氨酯弹性体／环氧树脂型IPN

TPU 具有良好的弹性、耐磨性和阻尼特性。环氧树脂具有良好的热稳定性、紫外稳定性、耐候性、较高的机械强度和对金属的附着力。但是由于结构的刚性和脆性，环氧树脂的工程应用受到了诸多限制。通过IPN 接枝对EP 和TPU 进行改性（图6－13 为聚氨酯／环氧树脂交联过程），研究结果表明，与TPU 相比，TPU／EP 型IPN 具有更好的冲击强度、拉伸强度和阻尼性能。IPN 结合了两种聚合物（EP 和TPU）的结构和性能。

Zhang 等制备了填充石墨烯气凝胶（PEGA）的聚氨酯／环氧树脂互穿聚合物网络，系统地研究了复合材料阻尼性能、热稳定性和力学性能。结果表明，石墨烯气凝胶的加入改善了TPU／EP IPNs 的阻尼性能，提高了热分解温度。力学试验表明，加入石墨烯气凝胶后，PEGA 复合材料的抗弯强度、抗弯模量和硬度均有所提高。Wang 等研究不同配比的TPU／EP互穿网络材料阻尼性能，结果见表6－6，随着TPU 含量的增加，IPN 材料具有更广泛的损耗因子（tan δ）大于0.3 的温域，更低的Tg。此外，所有的曲线都显示所有TPU／EP IPN 只有一个峰值，表明TPU 和EP 之间具有良好的相容性。

2. 热塑性聚氨酯弹性体／聚丙烯酸酯型IPN

聚甲基丙烯酸酯的主链为饱和的碳碳结构，侧链含有极性基团。该类聚合物不仅具有较好的阻尼性能，还具有优良的耐老化性能和耐油性能。另外聚甲基丙烯酸酯还具有较宽的玻璃化转变温度选择范围（表6－7）。通过调整其分子侧链，可满足不同温度区域对阻尼性能的需要。

图6-13　聚氨酯／环氧树脂交联过程

表6-6　不同配比的TPU／EP IPNs 在10 Hz 时的DMA 数据

表6-7　聚甲基丙烯酸酯类均聚物Tg值(www.xing528.com)

Trakulsujaritchok 合成了一种热塑性聚氨酯弹性体／聚甲基丙烯酸乙酯IPN 材料，这种半混相IPN 的tan δ≥0.3 温度范围为132 ℃，显示了其作为阻尼应用材料的潜力。在IPN 体系中加入二氧化硅（SiO2）填料后，在一定的温度范围内提高了材料的强度，增强了IPN 的阻尼能力。Liu 等合成一种聚氨酯／聚（甲基丙烯酸甲酯－甲基丙烯酸丁酯）［TPU／P（MMA－BMA）］半互穿网络。对于IPN 聚合物，可以通过DMA 数据分析两互穿组分的相容性。图6－14 为TPU、P（MMA－BMA）组分与TPU／P（MMA－BMA）IPN 复合材料在1 Hz 时的DMA 曲线。从图6－14 可以看出TPU 与P（MMA－BMA）混溶程度很高，且过渡区的损耗因子值增大；为进一步提高TPU／P（MMA－BMA）的阻尼性能，向体系中加入石墨，可进一步加宽IPN 复合材料的温度范围，提高损耗系数。

图6-14　TPU、P（MMA－BMA）组分与TPU／P（MMA－BMA）IPN 复合材料在1 Hz 时的DMA 曲线

3. 热塑性聚氨酯弹性体／乙烯基树脂型IPN

乙烯基树脂Tg高，便于加大TPU 材料有效阻尼温域，采用IPN 技术，可获得宽温域、阻尼性能优异的TPU／VER IPN 材料。田春蓉等合成了一系列TPU／VER 复合材料，并研究了其阻尼性能，见表6－8，所合成的TPU／VER IPN 均表现出单一的玻璃化转变温度，大部分复合材料的Tg比纯TPU 的略为提高；IPN 材料阻尼温域基本是随着VER 组分的增加而增大或加宽，表明TPU／VER IPN 材料可以很好改善TPU 的阻尼性能。

表6-8　不同组分含量的TPU／VER 的DMA 数据

万勇军等采用二步法制备了TPU／乙烯基树脂互穿网络聚合物。研究结果表明，当TPU／VER ＝40／60 和30／70 时，TPU／VER 型IPN 在10 ～130 ℃范围内，tan δ－T 曲线都出现一个很宽的阻尼平台。

4. 热塑性聚氨酯弹性体／聚二甲基硅氧烷型IPN

聚二甲基硅氧烷耐温范围广（－50 ～200 ℃）、耐热、耐化学性能好，而聚氨酯耐热性能不好，利用IPN 实现两者性能互补。钟发春等制备了一系列热塑性聚氨酯弹性体／聚硅氧烷IPN 材料。其动态热力学数据见表6－9，纯TPU 和PDMS 具有较高的最大损耗因子值，有效阻尼温域很窄。虽然两者的玻璃化转变温度相差较大，但是TPU／PDMS IPN 材料具有单一的损耗峰，最大损耗因子有所下降，有效阻尼温域变宽，表明IPN 材料阻尼性能优于单一材料。

表6-9　不同PDMS 含量的TPU／PDMS 动态热力学数据