利用羟基化苝酰亚胺制备形状记忆聚氨酯的方法与流程

本发明属于智能高分子材料技术领域，特别涉及一种利用羟基化苝酰亚胺制备形状记忆聚氨酯的方法。

背景技术：

形状记忆材料在生物医用领域，结构件领域，纺织领域具有重要的应用价值，是近年来学术界和工业界的研究热点和重点。尤其是形状记忆高分子（Shape Memory Polymer，简称SMP）材料具有易加工、易成型、质轻等优点，具有十分巨大的潜在应用价值，从80年代开始，世界各国的研究人员加大了对SMP的投入和研究，使得SMP的研究得到了快速的发展，成为当前一种重要的功能材料。

作为最早开始被用于研发SMP的材料之一，形状记忆聚氨酯（Shape Memory Polyurethane，简称SMPU）自80年代由日本三菱重工工业开发成功后得到了广泛的关注。聚氨酯是由多异氰酸酯和聚醚多元醇或者聚酯多元醇及小分子多元醇、多元胺等作为扩链剂等原料制备的一种聚合物。该聚合物中，异氰酸酯基和扩链剂的链刚性表现为硬段，硬段间的氢键以及其他链缠绕作用能在SMP中起到物理交联的作用，而聚酯或者聚醚二元醇是软段，则可以起到分子开关的作用。所以，软硬段的结构设计和比例调节是制备高性能SMPU的关键所在。

聚己内酯（polycaprolactone，简称PCL）是由ε-己内酯开环聚合得到的半结晶聚酯高分子，常用于SMPU的制备。由于PCL具有端基可反应性，可以通过选择不同的引发剂制备得到星状、枝状等不同结构的PCL，从而制得不同结构的SMPU，这使得PCL在SMP材料研究中占有重要一席。但PCL的机械性能较差，限制了SMP的应用。

因此，利用PCL制备出高强度、形状记忆性能优异的SMP材料显得尤为重要。本发明不从PCL的结构设计出发，而是通过分子设计，合成出具有特别结构的羟基化苝酰亚胺扩链剂（同时也是一种反应性填料），再将合成的羟基化苝酰亚胺扩链剂通过交联改性机制应用于SMPU的制备过程中，制备出具有优异形状记忆性能和拉伸性能的SMPU。本思路目前未见文献报道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用羟基化苝酰亚胺制备形状记忆聚氨酯的方法。

具体步骤为：

(1)取3.92g 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）、9.68g三羟甲基氨基甲烷（THAM）、1.83g无水醋酸锌（(CH₃COO)₂Zn）和100ml N-甲基吡咯烷酮(NMP)加入到250ml三口反应器中，在氮气氛下加热至75~85℃搅拌混合15min，然后继续升温至150~160℃搅拌反应15~17h，制得深紫色溶液。

(2)将步骤(1)制得的深紫色溶液进行抽滤，滤出物先用乙醇洗涤3~5次，然后再放入45~55℃的真空干燥箱中干燥8~12h，所得紫色粉末即为羟基化苝酰亚胺。

(3)将2.0g聚合物二元醇放入圆底烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃并磁力搅拌直至融化，然后加入10 ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.1 ml二月桂酸二丁基锡（DBTDL），将混合物加热至105℃保温15min除水，再降温至80℃，加入0.5ml六亚甲基二异氰酸酯（HDI），于80℃下反应5h，制得含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液。

(4)将0.025~0.15g步骤(2)制得的羟基化苝酰亚胺加入10ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散1h，制得羟基化苝酰亚胺分散液。

(5)将步骤(4)制得的羟基化苝酰亚胺分散液加入到步骤(3)制得的含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液中，在氮气氛中于80℃下搅拌反应12小时，然后一起倒入50~80℃下预热过的模具中，在70~90℃下加热固化10~14h，即制得形状记忆聚氨酯。

所述聚合物二元醇为聚己内酯二元醇，其重均分子量为1000。

本发明方法操作简单，且所制得的形状记忆聚氨酯材料具有优异的热学、力学和形状记忆性能。其主要性能指标如下：断裂伸长率为600~1000%；拉伸强度≥20MPa；二次循环形状固定率为85%~100%；二次循环形状回复率为90%~100%；热分解起始温度≥250℃。

附图说明

图1是本发明使用的3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）和实施例1制备的羟基化苝酰亚胺的红外光谱图。从特征峰值能够看出，本发明已经成功制备出羟基化苝酰亚胺。

图2是本发明利用羟基化苝酰亚胺制备形状记忆聚氨酯的反应示意图。

图3是本发明实施例3制备的形状记忆聚氨酯的二次循环记忆过程示意图。从图中可以看到，本实施例制备的形状记忆聚氨酯经过二次循环记忆后，形状固定率和形状回复率都达到很高水平。

具体实施方式

实施例1：

(1)取3.92g 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）、9.68g三羟甲基氨基甲烷（THAM）、1.83g无水醋酸锌（(CH₃COO)₂Zn）和100ml N-甲基吡咯烷酮（NMP）加入到250ml三口烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃搅拌混合15min，然后继续升温至155℃搅拌反应16h，制得深紫色溶液。

(2)将步骤(1)制得的深紫色溶液进行抽滤，滤出物先用乙醇洗涤4次，然后再放入50℃的真空干燥箱中干燥10h，所得紫色粉末即为羟基化苝酰亚胺，标记为PBI。

(3)将2.0g重均分子量为1000的聚己内酯二元醇放入圆底烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃并磁力搅拌直至融化，然后加入10 ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.1 ml二月桂酸二丁基锡（DBTDL），将混合物加热至105℃保温15min除水，再降温至80℃，加入0.5ml六亚甲基二异氰酸酯（HDI），于80℃下反应5h，制得含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液。

(4)将0.025g步骤(2)制得的羟基化苝酰亚胺加入10ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散1h，制得羟基化苝酰亚胺分散液。

(5)将步骤(4)制得的羟基化苝酰亚胺分散液加入到步骤(3)制得的含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液中，在氮气氛中于80℃下搅拌反应12小时，然后一起倒入60℃下预热过的模具中，在80℃下加热固化12h，即制得形状记忆聚氨酯。

将本实施例制得的形状记忆聚氨酯进行测试，其断裂伸长率为861.5%，拉伸强度为44.96MPa；二次循环形状固定率为85.90%，二次循环形状回复率为94.11%；3%热失重温度为270℃，综合性能较为优异。

实施例2：

(1)取3.92g 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）、9.68g三羟甲基氨基甲烷（THAM）、1.83g无水醋酸锌（(CH₃COO)₂Zn）和100ml N-甲基吡咯烷酮（NMP）加入到250ml三口烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃搅拌混合15min，然后继续升温至155℃搅拌反应16h，制得深紫色溶液。

(2)将步骤(1)制得的深紫色溶液进行抽滤，滤出物先用乙醇洗涤4次，然后再放入50℃的真空干燥箱中干燥10h，所得紫色粉末即为羟基化苝酰亚胺。

(3)将2.0g重均分子量为1000的聚己内酯二元醇放入圆底烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃并磁力搅拌直至融化，然后加入10 ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.1 ml二月桂酸二丁基锡（DBTDL），将混合物加热至105℃保温15min除水，再降温至80℃，加入0.5ml六亚甲基二异氰酸酯（HDI），于80℃下反应5h，制得含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液。

(4)将0.075g步骤(2)制得的羟基化苝酰亚胺加入10ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散1h，制得羟基化苝酰亚胺分散液。

(5)将步骤(4)制得的羟基化苝酰亚胺分散液加入到步骤(3)制得的含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液中，在氮气氛中于80℃下搅拌反应12小时，然后一起倒入60℃下预热过的模具中，在80℃下加热固化12h，即制得形状记忆聚氨酯。

将本实施例制得的形状记忆聚氨酯进行测试，其断裂伸长率为611.1%，拉伸强度为24.56MPa；二次循环形状固定率为88.18%，二次循环形状回复率为98.62%；3%热失重温度为269℃，综合性能较为优异。

实施例3：

(1)取3.92g 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA）、9.68g三羟甲基氨基甲烷（THAM）、1.83g无水醋酸锌（(CH₃COO)₂Zn）和100ml N-甲基吡咯烷酮（NMP）加入到250ml三口烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃搅拌混合15min，然后继续升温至155℃搅拌反应16h，制得深紫色溶液。

(2)将步骤(1)制得的深紫色溶液进行抽滤，滤出物先用乙醇洗涤4次，然后再放入50℃的真空干燥箱中干燥10h，所得紫色粉末即为羟基化苝酰亚胺。

(3)将2.0g重均分子量为1000的聚己内酯二元醇放入圆底烧瓶中，在氮气氛下加热至80℃并磁力搅拌直至融化，然后加入10 ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）和0.1 ml二月桂酸二丁基锡（DBTDL），将混合物加热至105℃保温15min除水，再降温至80℃，加入0.5ml六亚甲基二异氰酸酯（HDI），于80℃下反应5h，制得含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液。

(4)将0.15g步骤(2)制得的羟基化苝酰亚胺加入10ml N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，超声分散1h，制得羟基化苝酰亚胺分散液。

(5)将步骤(4)制得的羟基化苝酰亚胺分散液加入到步骤(3)制得的含有端异氰酸酯聚氨酯预聚体的混合液中，在氮气氛中于80℃下搅拌反应12小时，然后一起倒入60℃下预热过的模具中，在80℃下加热固化12h，即制得形状记忆聚氨酯。

将本实施例制得的形状记忆聚氨酯进行测试，其断裂伸长率为932.8%，拉伸强度为52.76MPa；二次循环形状固定率为94.58%，二次循环形状回复率为97.94%；3%热失重温度为270℃，综合性能较为优异。