CN112759735A - 一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及功能高分子材料技术领域，具体为一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法。该方法包括步骤1)将端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯混合并反应得到聚氨酯预聚体；2)将聚氨酯预聚体与钯碳充分混合均匀；3)将得到的材料进一步与二元醇进一步反应，或直接进行浇筑、压制或旋涂可得到不同形态的聚氨酯基吸氢材料。本方法通过富含碳碳双键的羟基封端的聚丁二烯与二异氰酸酯交联固化，将钯碳均匀负载和封装，在使材料拥有吸氢性能的同时，提升了吸氢材料可塑性，同时避免了掉粉现象的发生。制备方法绿色环保，制备的聚氨酯基吸氢材料成本低廉、吸氢速率快、吸氢容量大、易成型、不掉粉；大大提高了实际使用的方便性。

Description

一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及功能高分子材料技术领域，具体涉及的是一种室温下具有不可逆消氢功能的高分子材料，具体为一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法。
背景技术
氢气作为一种可再生能源逐渐在人们生产生活中的广泛使用，其安全储存和使用等技术领域一直是关注的焦点与挑战。当氢气浓度达到一定程度时，还存在火灾以及爆炸隐患，而氢的同位素---氘和氚的产生、聚集也会对环境和人体健康造成严重危害。氢气还具有极强的渗透能力，对金属材料造成点蚀，会对材料及精密系统造成损伤。因此，采用吸氢材料在室温下实现氢气浓度在安全范围内的控制，从而保证日常的安全生产生活以及密闭环境下材料结构性能的稳定性。
目前，己有的吸氢剂材料主要分为无机和有机材料两种。无机化合物吸氢剂包括两类，第一类为贵金属如Pt，Pd以及Rh等，通过催化氢气与氧气的反应生成水来去除氢气。第二类是可与氢气反应生成氢化物的金属以及金属化合物。如Mg，U，ZrCo，Mg2Ni等。但此类金属吸氢剂对环境气氛非常敏感，易中毒，且易燃易爆，应用受到许多限制。
另一种是有机化合物吸氢剂，与无机吸氢剂相比，该类吸氢剂具有许多优点，例如，引发火灾或爆炸的风险低，环境耐受性强，较低温度下也可有效吸氢，对水和二氧化碳等气氛不敏感等；所以，有机吸氢剂具有更为广泛的应用前景。其原理在于含有不饱和双键以及三键的有机分子在贵金属钯或铂的催化下与氢气发生不可逆反应生成饱和烷烃类化合物。常用的不饱和有机分子包括对二苯乙炔基苯(DEB)，1,4-二苯基丁二炔(DPB)，1,6-二苯氧基-2,4-己二炔等以及聚丁二烯类。但这些不可逆吸氢材料多以粉体状为主，粉体状吸氢剂虽然具有吸氢速率快、吸氢容量大的优点，但是现有粉体状有机吸氢剂必须加以透气的外包装才能使用，包装破损时有粉尘污染、导致元器件短路等风险。目前已有的几种吸氢剂成型技术，包括DEB吸氢剂添加入硅橡胶经过3D打印成型，DEB吸氢剂添加入双连续相高分子基底刻蚀法以及基于硅醇缩合固化成型等，虽然解决了粉体成型的问题，但多数制备方法工艺繁琐，制备得到材料仍然有着吸氢速率慢、吸氢容量小以及环境相容性的问题。
发明内容
本发明的发明目的在于针对以上技术问题，提供了一种聚氨酯基吸氢材料的制备方法，该方法通过富含碳碳双键的羟基封端的聚丁二烯与二异氰酸酯交联固化，将钯碳均匀负载和封装，在使材料拥有吸氢性能的同时，提升了吸氢材料可塑性，同时避免了掉粉现象的发生；制备方法绿色环保。
本发明的另外一个发明目的是提供以上所述方法制备得到的聚氨酯基吸氢材料。通过本发明所制备的聚氨酯基吸氢材料具有成本低廉、吸氢速率快、吸氢容量大、易成型、不掉粉等优点，而且材料的可塑性也大大提高了实际使用的方便性。
为了实现以上发明目的，本发明的具体技术方案为：
一种聚氨酯基吸氢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯按比例均匀混合并反应得到聚氨酯预聚体；
(2)将步骤1)制备的聚氨酯预聚体与负载在碳材料上的贵金属催化剂和适量二元醇按比例充分混合均匀，并发生进一步反应；
(3)将步骤2)中制备得到的材料进行浇筑、压制或旋涂等工艺方法可得到不同形态的聚氨酯基吸氢材料。
作为本申请中一种较好的实施方式，步骤(1)中所述的二异氨酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、3,3’-二甲基4,4’-联苯二异氰酸酯或环己烷二亚甲基二异氰酸酯等。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述的端羟基聚丁二烯为具有不同羟值的聚丁二烯的的混合物。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述步骤(1)中，所述聚氨酯预聚体的化学反应通式如下：
Figure BDA0002899796690000031
作为本申请中一种较好的实施方式，所述步骤(2)中，所述的负载在碳材料上的贵金属催化剂，为不同含量的钯碳或铂碳等贵金属催化剂。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述步骤(2)中，所述的二元醇为1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、甲基丙二醇、二乙二醇、新戊二醇或1,6-己二醇等。
作为本申请中一种较好的实施方式，所述步骤(1)和(2)中，所述的混合方法为机械搅拌混合或匀浆设备混合。
作为本申请中一种较好的实施方式，端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯的质量比为50：1-1：50；更进一步优选10：1-1：10。
作为本申请中一种较好的实施方式，聚氨酯预聚体、负载在碳材料上的贵金属催化剂和二元醇的质量比为1-50:1-50：1-50；更进一步优选为1-10:1-10：1-10。
作为本申请中一种较好的实施方式，该材料具有较好的吸氢性能，在298K，1bar条件下的吸氢容量达到102.0ml/g。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，(各非冲突选择)选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(一)本发明制备得到的聚氨酯基吸氢材料具有吸氢速率快、吸氢容量大等优点。与此同时，底物羟基封端聚丁二烯经过改性得到聚氨酯类高分子材料，改变了高分子模量，增加了材料上的可塑性和韧性，与钯碳催化剂均匀混合后，可用于高效吸氢。吸氢薄膜材料的龟裂和掉粉污染现象得到解决，材料本身的可塑性也得到了提高。
(二)本发明制备工艺简单、原料来源广泛、成本低廉、技术效果俱佳，且工艺重复性易于控制和操作；同时，底物羟基封端聚丁二烯为液体，可直接添加交联剂制成材料，该发明可以不涉及有机溶剂的使用，绿色环保。因此，相比现有技术来说，本发明在氢能、核能等领域的密闭条件场景下的不可逆吸氢具有重要生产意义，非常适合大规模推广应用。
附图说明
图1为本发明制备的聚氨酯基吸氢薄膜的光学图片和SEM表征示意图。
图2为本发明制备的不同聚氨酯基吸氢材料以及与DEB吸氢剂的SEM表征示意图。
图3为本发明制备的不同聚氨酯基吸氢材料吸氢前后SEM表征示意图。
图4为本发明制备的聚氨酯基1-4号吸氢材料在298K下吸氢容量对比图。
图5为本发明制备的聚氨酯基2号吸氢材料298K下的吸氢性能等温线以及Langmuir拟合等温线。
图6为本发明制备的聚氨酯基2号吸氢材料298K下的吸氢动力学曲线
图7为本发明制备的聚氨酯基3号吸氢材料298K下的吸氢性能等温线以及Langmuir拟合等温线。
图8为本发明制备的聚氨酯基3号吸氢材料298K下的吸氢动力学曲线
图9为本发明制备的聚氨酯基4号吸氢材料298K下的吸氢性能等温线以及Langmuir拟合等温线。
图10为本发明制备的聚氨酯基4号吸氢材料298K下的吸氢动力学曲线。
具体实施方式
一种聚氨酯基吸氢材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯按比例均匀混合并反应得到聚氨酯预聚体；端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯的比例关系为50:1-1:50。
(2)将步骤1)制备的聚氨酯预聚体与负载在碳材料上的贵金属催化剂和适量二元醇按比例充分混合均匀，并发生进一步反应；聚氨酯预聚体、负载在碳材料上的贵金属催化剂和二元醇的质量比为1-50:1-50:1-50。
(3)将步骤2)中制备得到的材料进行浇筑、压制或旋涂等工艺方法可得到不同形态的聚氨酯基吸氢材料。
具体工艺其主要包含以端羟基聚丁二烯的聚氨酯改性，以及与负载在碳材料上的贵金属催化剂和适量二元醇按比例充分混合，接着直接对制备的材料进行浇筑、压制或旋涂等工艺方法可得到不同形态的聚氨酯基吸氢材料。
化学反应式如下：
Figure BDA0002899796690000061
所述步骤(1)中所述的二异氨酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、3,3’-二甲基4,4’-联苯二异氰酸酯或环己烷二亚甲基二异氰酸酯等。
所述的端羟基聚丁二烯为具有不同羟值的聚丁二烯的混合物。
所述步骤(2)中，所述的负载在碳材料上的贵金属催化剂，为不同含量的钯碳或铂碳等贵金属催化剂。
所述步骤(2)中，所述的二元醇为1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、甲基丙二醇、二乙二醇、新戊二醇或1,6-己二醇等。
所述步骤(1)和(2)中，所述的混合方法为机械搅拌混合或匀浆设备混合。
本发明提供了一种聚氨酯基吸氢材料，其原理在于使用含有丰富碳碳双键的端羟基聚丁二烯通过端羟基与二异氰酸酯反应得到改性的聚氨酯预聚体，再与贵金属催化剂均匀混合；在催化剂的催化下聚氨酯基吸氢剂与氢气发生不可逆反应生成饱和烷烃类化合物，改性后聚氨酯具有优良的可塑性。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下实施例与对比例中所采用的％，如无特殊说明，均表示其质量百分含量，即wt％。吸氢容量性能测试采用北京金埃谱科技有限公司生产的储氢材料测试仪通过吸放氢压力-组成等温线(PCT)测试方法获得材料吸氢容量。
下述实施例中的份都表示重量份。
实施例1：
取羟值为1％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5份，)加入到匀浆机样品罐中，然后加入环己烷二亚甲基二异氰酸酯(0.5份)，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下进行匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1％铂碳(1.25份)和适量乙二醇加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料1，经过测试，其在298K，1bar条件下的吸氢容量为29.0ml/g。
实施例2：
取羟值为1％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5.0份)加入到匀浆机样品罐中，然后加入异佛尔酮二异氰酸酯(0.5份)，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下，匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1％钯碳(1.67份)和适量乙二醇加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料2，经过测试，其在298K，1bar条件下的吸氢量为62.0ml/g。
实施例3：
取羟值为0.5％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5.0份)加入到匀浆机样品罐中，然后加入环己烷二亚甲基二异氰酸酯(0.5份)，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下，匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1％钯碳(2.5份)和适量乙二醇加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料3,，经过测试，其在298K，1bar条件下的吸氢容量为75.0ml/g。
实施例4：
取羟值为0.5％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5份)加入到匀浆机专用样品罐中，然后加入二苯基甲烷二异氰酸酯(0.5份)，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下，匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1％钯碳(5份)和适量乙二醇加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料4a，经过测试，其在298K，1bar条件下的吸氢容量为92.0ml/g。
对比例1：
采用实施例4中记载的方法进行黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料的制备，具体区别见表1，其余步骤均相同。分别制备得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料4b、4c和4d。
性能测试：
将实施例1至实施例4中以及对比例1中制备得到的黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料进行性能测试，具体结果见表1，表1为制备得到的聚氨酯基吸氢材料298K条件下的平衡点吸附详细数据：
Figure BDA0002899796690000091
Figure BDA0002899796690000101
实施例5(DEB混合吸氢材料的制备)：
取羟值为0.5％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5.0g)加入到匀浆机样品罐中，然后加入二苯基甲烷二异氰酸酯(0.5g)，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下，匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1.25g 1％钯碳和2.0g DEB吸氢剂(由1.5g DEB和0.5g 5％钯碳均匀混合制备得到)加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色弹性体聚氨酯基吸氢材料5。经测试，其在298K，1bar条件下的吸氢容量为112.0ml/g。
实施例6(吸氢薄膜的制备)：
取羟值为0.5％的羟基封端聚丁二烯(HTPB)(5.0g)和二苯基甲烷二异氰酸酯(0.5g)加入到匀浆机样品罐中，然后加入3ml正己烷，之后将样品罐装入匀浆机，在2000转/分钟的条件下，匀浆10分钟，使之充分反应得到聚氨酯前聚体。之后，将1％钯碳(5.0g)和适量乙二醇以及加入到样品罐置，在2000转/分钟的条件下，继续匀浆10分钟，从而得到得到黑色聚氨酯基吸氢材料的浆料，经过旋涂工艺可得到聚氨酯基吸氢薄膜，经过测试其在298K，1bar条件下的吸氢容量为95.0ml/g。
本发明采用富含不饱和键的改性聚氨酯制备吸氢材料具有吸氢速率快、吸氢容量大、吸氢性能可调以及成型定制等优势，且具有一定的可塑性和力学性能，能够解决一般吸氢材料的成型制备问题，以及薄膜龟裂和掉粉污染现象。同时，本发明方法不涉及有机溶剂的使用，绿色环保，简单可靠。因此，与现有技术相比，本发明技术具有突出的实用性特点和显著的进步。
前述本发明基本例及其各进一步选择例可以自由组合以形成多个实施例，均为本发明可采用并要求保护的实施例。本发明方案中，各选择例，与其他任何基本例和选择例都可以进行任意组合。本领域技术人员可知有众多组合。
以上实施例仅为本发明的优选方案，本发明的实施方式与保护范围并不受限于上述实施例，凡使用本发明思路下的设计及技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员而言，在不脱离本发明设计原理前提下的若干改动也应视作本发明的保护范围。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯按比例均匀混合并反应得到聚氨酯预聚体；
(2)将步骤1)制备的聚氨酯预聚体、负载在碳材料上的贵金属催化剂和适量二元醇按比例充分混合均匀，并发生进一步反应；
(3)将步骤2)中反应得到的材料进行浇筑、压制或旋涂等工艺方法可得到不同形态的聚氨酯基吸氢材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述的端羟基聚丁二烯为不同羟值的聚丁二烯。
3.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于：所述的二异氨酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、1,5-萘二异氰酸酯、对苯二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯、苯二亚甲基二异氰酸酯、3,3’-二甲基4,4’-联苯二异氰酸酯或环己烷二亚甲基二异氰酸酯中的任意一种或几种的混合物。
4.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述聚氨酯预聚体的化学反应通式如下：
Figure FDA0002899796680000011
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基吸氢材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中负载在碳材料上的贵金属催化剂为钯碳或铂碳贵金属催化剂。
6.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述的二元醇为1,4-丁二醇、乙二醇、丙二醇、甲基丙二醇、二乙二醇、新戊二醇或1,6-己二醇中的任意一种或几种的混合物。
7.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)和(2)中所述的混合方法为机械搅拌混合或匀浆设备混合。
8.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于：端羟基聚丁二烯与二异氰酸酯的质量比为50:1-1:50。
9.根据权利要求1所述聚氨酯基吸氢材料的制备方法，其特征在于：聚氨酯预聚体、负载在碳材料上的贵金属催化剂和二元醇的质量比为1-50:1-50:1-50。
10.根据权利要求1至9中任一所述方法制备得到的聚氨酯基吸氢材料，其特征在于：该材料在具有可塑性的同时，具有较好的吸氢性能，在298K，1bar条件下的吸氢容量达到100.0ml/g以上。
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