一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体及其制备方法以及一种声子晶体-环氧复合材料

本发明涉及声子晶体和环氧复合材料，特别涉及一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体及其制备方法以及一种声子晶体-环氧复合材料。

背景技术：

1、弹性常数及密度周期分布的材料或结构被称为声子晶体(phononic crystals)，是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。声子晶体按带隙形成机理可分为bragg散射型和局域共振型两大类。bragg散射型的带隙内频率所对应的波长与晶格常数处于同一数量级，而局域共振型的带隙频率所对应的波长远大于晶格常数。类比光子晶体，发现弹性波在周期弹性复合介质中传播时，也会产生类似于光子带隙的弹性波带隙。因此，声子晶体可用于控制弹性波的传播，在新型声学器件、减振降噪领域有广阔的应用前景。

2、目前，声子晶体的研究均集中在阻尼材料、减振降噪方面，且常见的声子晶体均为大尺寸的周期性结构，例如二维固/固三角晶格声子晶体、二维梯度声子晶体、二维格栅结构声子晶体等。关于纳米尺寸声子晶体的报道极少。

3、另外，环氧树脂是一种高分子聚合物，是指分子中含有两个以上环氧基团的一类聚合物的总称，环氧树脂具有优良的物理机械和电绝缘性能，可以作为涂料、复合材料、模压材料和注射成型材料使用，在各个领域中均有广泛的应用。环氧树脂的固化物具有较高的强度，但是脆性较大，韧性差是其主要的应用缺陷，同时环氧树脂是热的不良导体，导热性较差。环氧树脂的改性主要其中在导热、增韧改性方面，常用的增韧改性方法包括在环氧树脂中引入柔性链段的树脂分子或固化剂，或者采用大分子的超支化聚合物进行改性等；常用的导热改性方法则是在环氧树脂中掺杂导热填料。目前，尚没有利用声子晶体改善复合材料导热性能和力学性能的相关报道。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体及其制备方法以及一种声子晶体-环氧复合材料。本发明提供的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体为纳米尺寸的声子晶体，将其应用于环氧树脂中，能够提高环氧复合材料导热性和韧性。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)将纳米氧化铜、二异氰酸酯单体、催化剂和溶剂混合进行反应，得到中间产物颗粒；

5、(2)将所述中间产物颗粒、羟基化合物、溶剂和催化剂混合进行反应，得到聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体。

6、优选的，所述纳米氧化铜的粒径为50～500nm。

7、优选的，所述纳米氧化铜在使用前进行预处理，所述预处理的方法包括：将所述纳米氧化铜煅烧后依次进行洗涤和干燥。

8、优选的，所述二异氰酸酯单体包括2,4-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4,-二异氰酸酯和1,6-己二异氰酸酯中的一种或多种；

9、所述羟基化合物包括聚四氢呋喃二元醇、端羟基丁腈橡胶和十六醇中的一种或多种。

10、优选的，所述纳米氧化铜颗粒和二异氰酸酯单体的质量比为1:10～40；所述二异氰酸酯单体和所述羟基化合物的摩尔比为1.25～5.5:1。

11、优选的，所述步骤(1)和步骤(2)中使用的催化剂独立地包括叔胺类催化剂、脂环族胺类催化剂、醇胺类催化剂、芳香族胺类催化剂、有机金属催化剂和有机锡催化剂中的一种或多种。

12、优选的，所述步骤(1)中反应的温度为55～80℃，时间为1～10h；所述步骤(2)中反应的温度为60～70℃，时间为3～8h。

13、本发明还提供了上述方案所述制备方法制备的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体，包括纳米氧化铜以及包覆在纳米氧化铜表面的聚氨酯。

14、本发明还提供了一种声子晶体-环氧复合材料，所述声子晶体-环氧复合材料的组分包括环氧树脂、固化剂以及声子晶体；所述声子晶体的质量为所述环氧树脂质量的1～10％；所述声子晶体为上述方案所述的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体。

15、本发明还提供了上述方案所述声子晶体-环氧复合材料的制备方法，包括以下步骤：

16、将环氧树脂、固化剂、声子晶体以及溶剂混合后依次进行真空除气泡和固化，得到声子晶体-环氧复合材料。

17、本发明提供了一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体的制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米氧化铜、二异氰酸酯单体、催化剂和溶剂混合进行反应，得到中间产物颗粒；(2)将所述中间产物颗粒、羟基化合物、溶剂和催化剂混合进行反应，得到聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体。本发明采用二异氰酸酯单体和羟基化合物对纳米氧化铜进行接枝包覆，在纳米氧化铜表面形成聚氨酯包覆层，得到了纳米尺度的氧化铜声子晶体；本发明提供的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体热稳定性好，分散性好，具有广阔的应用前景。

18、本发明还提供了一种声子晶体-环氧复合材料，组分包括环氧树脂、固化剂以及上述方案所述的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体。本发明将聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体应用于环氧复合材料中，能够提高环氧复合材料的导热性能，并且增加其韧性。

技术特征：

1.一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纳米氧化铜的粒径为50～500nm。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在，所述纳米氧化铜在使用前进行预处理，所述预处理的方法包括：将所述纳米氧化铜煅烧后依次进行洗涤和干燥。

4.根据权利要求1所述的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体，其特征在于，所述二异氰酸酯单体包括2,4-甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷-4,4,-二异氰酸酯和1,6-己二异氰酸酯中的一种或多种；

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在，所述纳米氧化铜颗粒和二异氰酸酯单体的质量比为1:10～40；所述二异氰酸酯单体和所述羟基化合物的摩尔比为1.25～5.5:1。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在，所述步骤(1)和步骤(2)中使用的催化剂独立地包括叔胺类催化剂、脂环族胺类催化剂、醇胺类催化剂、芳香族胺类催化剂、有机金属催化剂和有机锡催化剂中的一种或多种。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中反应的温度为55～80℃，时间为1～10h；所述步骤(2)中反应的温度为60～70℃，时间为3～8h。

8.权利要求1～7任意一项所述制备方法制备的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体，包括纳米氧化铜以及包覆在纳米氧化铜表面的聚氨酯。

9.一种声子晶体-环氧复合材料，其特征在于，所述声子晶体-环氧复合材料的组分包括环氧树脂、固化剂以及声子晶体；所述声子晶体的质量为所述环氧树脂质量的1～10％；所述声子晶体为权利要求8所述的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体。

10.权利要求9所述声子晶体-环氧复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及声子晶体和环氧复合材料技术领域，提供了一种聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体及其制备方法以及一种声子晶体‑环氧复合材料。本发明采用二异氰酸酯单体和羟基化合物对纳米氧化铜进行接枝包覆，在纳米氧化铜表面形成聚氨酯包覆层，得到了纳米尺度的氧化铜声子晶体。将本发明的聚氨酯包覆纳米氧化铜声子晶体应用于环氧树脂中，能够提高环氧复合材料的导热性能，并且增加其韧性。

技术研发人员：王廷梅,候绪坤,王齐华,陈守兵,王超,谢海,张新瑞,陶立明
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11