Strukturiranje funkcionalnih hibridnih materijala na osnovu alifatičnih poliuretana i neorganskih punila

Abstract

U ovom radu, sintetisani su hibridni materijali na osnovu alifatičnih poliuretana i čestica silicijum(IV)oksida, mikrometarskih i nanometarskih dimenzija, kao i čestica aluminijum(III)oksida i titan(IV)oksida, nanometarskih dimenzija. Sa ekološkog aspekta, sintetisani hibridni materijali predstavljaju značajne inženjerske materijale jer su proizvodi njihove termičke degradacije znatno manje toksični u poređenju sa produktima degradacije poliuretana za čije dobijanje se koriste aromatični izocijanati. Primenom različitih metoda karakterizacije, sveobuhvatno je ispitan uticaj neorganskih punila na morfologiju, termička, mehanička, dinamičko-mehanička i izolaciona svojstva sintetisanih hibridnih materijala. Uniformna raspodela punila uticala je na poboljšanje toplotnih i mehaničkih svojstava dobijenih materijala. Proučavanjem kinetike termičke razgradnje sintetisanih funkcionalnih hibridnih materijala, dobijeni su podaci o energiji aktivacije termičke razgradnje, prinosu pojedinačnih etapa dekompozicije, kao i o maksimalnim temperaturama kojima hibridni materijali na osnovu alifatičnih poliuretana mogu biti izloženi termičkoj degradaciji u vremenskom intervalu od 60 minuta, a da pri tome ne dođe do gubitka mase veće od 5 mas. %. Nakon detaljnog istraživanja efekta neorganskih punila na toplotna svojstva hibridnih materijala, zabeležen je pozitivan uticaj uniformno dispergovanih neorganskih čestica na temperature relaksacije mekih segmenata, tem-perature topljenja tvrdih segmenata, kao i na temperature kristalizacije sintetisanih materijala. Dobijeni podaci predstavljaju značajne parametre i za proces njihovog recikliranja. Dodatkom malih količina hidrofobnih nanočestica Al2O3 (0,5 i 1,0 mas. %) dobijeni su materijali sa dobrim izolacionim svojstvima, što omogućava njihovu primenu umesto tradicionoalnih izolacionih materijala. Uniformna raspodela manjih količina punila (1,0 i 2,0 mas. % mikrometarskih čestica SiO2; 0,5 mas. % Al2O3; 2,0 mas. % TiO2) uticala je i na poboljšanje mehaničkih svojstava materijala. Ovakva mehanička svojstva zajedno sa odgovarajućim termičkim svojstvima, omogućavaju da se hibridni materijali na osnovu alifatičnih poliuretana i neorganskih punila primene kao mehanički jaki i izdržljivi premazi ili filmovi u biomedicini ili kao ambalažni materijali. Podaci dobijeni ispitivanjem otpornosti na rastvorljivost, opisani su primenom novog predloženog modela, koji obuhvata pojave bubrenja i rastvaranja, sa visokim stepenom koeficijenta determinacije i niskom vrednosti srednje apsolutne greške. Dodatak mikrometarskih čestica SiO2 uticao je na smanjenje brzine i maksimalne vrednosti bubrenja u vodi, acetonu, toluenu i heksanu, kao i na smanjenje brzine bubrenja i smanjenje promene relativne mase nabubrelih uzoraka u acetonu, toluenu i heksanu.

polyurethanes and nano and submicron silicium(IV)oxide particles, as well as aluminium(IV)oxide and titanium(IV)oxide nanofillers, were synthesized. From the environmental aspect, obtained hybrids present significant engineering materials, since the products of their thermal degradation are remarkably less toxic in comparison with the products of thermal degradation of polyurethanes based on aromatic isocyanates. Using numerous characterization methods, the impact of inorganic fillers on the morphology, thermal, mechanical, dynamic-mechanical and insulation properties of prepared hybrids was examined in details. Uniform particles distribution in polyurethane matrix affected the significant improvement of thermal and mechanical properties of obtained materials. The detailed information on the influence of silica nanoparticles content on the individual decomposition step contribution and the maximum temperature to which the nanocomposites can be exposed at thermal degradation during 60 min, without the mass loss higher than 5 wt. %, was determined by studying the thermal degradation kinetics of prepared functional hybrid materials. Using thermal analyses (DSM and MDSC), the positive influence of uniform nanoparticles distribution on the temperature of soft segments relaxation, the melting of hard segments as well as crystallization temperature is observed. Obtained results present significant data for the recycling of prepared hybrid materials. The addition of small amount of alumina (0.5 and 1.0 wt. %) caused good insulation properties of polyurethane nanocomposites, enabling them to be used instead of traditional insulation materials. Uniform distribution of low content of submicron silica (1.0 and 2.0 wt. %), alumina (0.5 wt. %) and titania nanoparticles (2.0 wt. %) improved mechanical characteristics of functional hybrid materials, allowing them to be potentially utilized as mechanically strong and durable coatings or films in biomedical applications or as packaging materials. The immersion test data are well described using novel proposed model covering swelling and dissolution phenomena (high coefficient of determination and low values of mean absolute error). The addition of submicron silica affected lowering rate and the amount of swelling in water, acetone, toluene and hexane was, as well as decreasing the rate and mass reduction of swollen sample in acetone, toluene and hexane.