SMPU/石墨烯-PAM-co-PAA温敏透湿材料的协同相变效应研究

Membrane materials with temperature-sensitive moisture permeability is a key technology in the development of waterproof and moisture permeable fabrics. The synergistic phase transition and temperature-sensitive moisture permeation of the composite fabricated from shape-memory polyurethane(SMPU) and graphene-poly(acrylamide-co-acrylic acid)(G-PAM-PAA) is investigated in this project. By the kinetic study on the reaction-induced phase separation and the spinodal decomposition, the microscopic mechanism on the formation of phase morphology of the material is discussed, through which the phase separation process and morphology can be controlled. Following this, the phase transition behavior of PU and G-PAM-PAA in the material is investigated and the interaction of the two phases in various temperatures is discussed. From these results the mechanism of the opening/closing of water transport path is achieved, and the relationship between the temperature-sensitive moisture permeation and the phase separation as well as the synergistic phase transition behaivors of the material is revealed. These results pave the way to novel waterproof and moisture permeable fabrics with self-owned intellectual property.

温敏透湿膜材料是新一代防水透湿织物的关键技术及重要发展方向。本项目研究形状记忆聚氨酯(SMPU)和石墨烯-PAM-co-PAA (G-PAM-PAA)复合材料的协同相变效应及基于该效应的温敏透湿机制。通过对该复合材料制备过程中的反应性相分离与Spinodal Decomposition的动力学研究，探讨该材料微相分离结构的形成机制，由此实现对其相分离过程与结构控制。进而研究该材料中PU微相区与G-PAM-PAA微相区在不同温度区间的相变过程及两相间相互作用，由此探讨水蒸汽分子通道的形成与闭锁机制，并建立透湿性与材料微相结构及两相协同相变行为之间的关系，从而阐明该材料的温敏透湿机理,并建立对透湿性响应温度和响应速率与程度的调控方法,为我国开发具有自主知识产权的新型智能化防水透湿织物奠定理论基础。

本项目采用溶液聚合方法合成了形状记忆聚氨酯，并对其结构性能关系进行了研究。结果显示，形状记忆聚氨酯的相变温度主要受到两个因素影响：软段分子量和软硬段比例。基于聚酯的形状记忆聚氨酯具有更好的温敏性能。制备了力学性能良好的温敏材料石墨烯-PAM-co-PAA，石墨烯含量在10% 时，转变温度在37 °C。而我们初始制备的SMPU不是水性的，石墨烯-PAM-PAA在有机溶剂中只能溶胀不能溶解，两者共混性能太差，水溶性的SMPU还在研究中，由于我们是委主任基金项目，执行期只有一年，为不影响研究进度，所以我们就把石墨烯-PAM-PAA这种温敏材料换成类似的温敏材料PNIPAAm来做研究，最后研究内容就变成了SMPU/PNIPAAm的研究了，水溶性的SMPU制备好后，我们还会继续SMPU/石墨烯-PAM-co-PAA的研究，相关成果也会陆续提交。所制备的SMPU/PNIPAAm膜具有显著的温敏透湿性。PNIPAAm含量的增加会提高温敏响应性和透湿通量。但膜的机械稳定性等会受到破坏。PNIPAAm交联度的增加会提高互穿效果，但也会降低溶胀程度和速度。最佳交联度为5wt%。水分子的传递方式还在研究中。采用半互穿网络复合物的溶液进行了刮涂，并通过相转化方法制得了微孔膜。研究了固含量、凝固时间、空气中放置时间等因素对成膜微观结构的影响。当在聚氨酯溶液中添加PNIPAAm形成半互穿聚合物网络，PNIPAAm的存在使得聚氨酯膜在溶剂交换过程的速度降低，从而使得形成的Semi-IPN膜的孔洞较为细密。本项目成功制备了SMPU/PNIPAAm的温敏透湿膜，并研究了其协同相变效应。发表SCI论文2篇，授权专利1项。