基于姜黄素和碳量子点水性聚氨酯的制备及其性能研究

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水性聚氨酯(WPU)材料作为一种多功能环境友好型高分子材料,受到科研工作者重视。随着时代和社会的飞速发展,新型功能材料相继出现,使用者对高性能材料呼声高涨,因此单一材料性能很难满足现有需求。目前,在众多领域具有潜在实用价值的荧光聚氨酯引起了广泛关注。因此,本课题利用化学键合方法,分别采用姜黄素(CUR)和自制的碳量子点(CQDs)对WPU进行改性,成功制备了CUR-WPU和CQDs-WPU,通过单因素实验,确定最佳的合成方案,并分别对各产品的结构及其性能进行表征。具体研究内容如下:首先,以异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)(Mn=2000)为主要原料,1,4-丁二醇(BDO)为小分子扩链剂,双羟甲基丙酸(DMPA)为亲水单体,CUR为荧光交联剂,采用内乳化法,根据逐步加成聚合的原理制备出CUR-WPU分散液。系统探讨了n(-NCO):n(-OH)、DMPA用量及CUR用量对CUR-WPU分散液外观、稳定性、粒径大小、胶膜力学性能和耐水性的影响,结果表明:n(-NCO):n(-OH)为4.5,DMPA用量为6.0 wt.%,CUR用量为0.2 wt.%时,CUR-WPU分散液及胶膜的综合性能较优。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)测定结果表明反应按照预期进行,产物结构与目标产物结构一致。X-射线衍射法(XRD)、热重分析(TG)、原子力显微镜(AFM)及扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明:CUR的引入使得CUR-WPU胶膜的结晶度降低,但由于其交联程度提高,故耐热稳定性也明显提高;且其胶膜软段和硬段的相容性增加,微相分离程度减小,胶膜表面变得更加平整。对CUR-WPU的光学性能进行检测,结果表明:CUR-WPU的荧光强度大于CUR的荧光强度。在CUR浓度为4.0×10-6 mol/L4.0×10-4 mol/L宽范围内,CUR-WPU分散液的荧光强度随着CUR浓度的增大也随之增大,但当浓度增大到4.0×10-4 mol/L时,CUR-WPU的荧光强度出现下降的趋势,即CUR-WPU分散液中存在浓度自猝灭效应。CUR-WPU分散液的荧光强度随着体系温度的升高呈下降趋势,CUR-WPU对猝灭剂对苯二酚不敏感。其次,研究了碳量子点改性的水性聚氨酯(CQDs-WPU)。先对制备的CQDs进行了荧光性能检测和结构表征,证明其具备与聚氨酯预聚体(PPU)发生反应的条件。然后以IPDI和BDO为硬段、聚丙二醇(PPG)(Mn=1000)为软段、DMPA为亲水扩链剂、CQDs为荧光交联剂,采用内乳化法制备了CQDs-WPU。系统探讨了n(-NCO):n(-OH)、DMPA用量及CQDs用量对CQDs-WPU分散液外观、稳定性、粒径大小、胶膜力学性能的影响,结果表明:n(-NCO):n(-OH)为4,DMPA用量为6.0 wt.%,CQDs用量为0.3 wt.%时,CQDs-WPU分散液及胶膜的综合性能较优。FT-IR和1H-NMR检测结果表明目标产物CQDs-WPU已成功制备。XRD、TG、AFM及SEM测试结果表明:CQDs的引入使得CQDs-WPU胶膜结晶度降低,但由于其交联程度提高,耐热稳定性也明显提高,且其胶膜软硬段相容性增加,微相分离程度减小。对CQDs-WPU的光学性能进行了检测,结果表明:相比于CQDs,CQDs-WPU具有更高的荧光强度。CQDs-WPU分散液与CQDs水溶液有着相似的荧光特性,保留了CQDs原有的激发波长独立性,且具有优异的荧光稳定性。同时随着CQDs添加量的增加,CQDs-WPU的荧光强度先增强后降低,即CQDs-WPU分散液存在浓度自猝灭效应。从WPU和CQDs-WPU胶膜的透明外观照片可以看出CQDs-WPU胶膜保留了原始WPU胶膜的透明度。
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