基于3-苯基-1H-吡唑封端甲苯二异氰酸酯与单壁碳纳米管一锅法合成聚氨酯纳米复合材料的研究

为解决传统聚氨酯合成中异氰酸酯毒性高、操作风险大的问题，研究人员创新性地采用3-苯基-1H-吡唑封端甲苯二异氰酸酯（TDI），通过"封端-解封"策略在200°C下原位生成聚氨酯/单壁碳纳米管（SWCNT）纳米复合材料。该溶剂-free方法不仅实现异氰酸酯的安全存储（稳定性>6个月），还通过FTIR、NMR、HRTEM等表征证实材料具有均匀分散性和热稳定性（TGA显示分解温度>300°C），为高性能聚合物复合材料开发提供新思路。

　　

在材料科学领域，聚氨酯因其优异的机械性能和可调控的化学结构，被广泛应用于涂料、纺织和环保材料。然而传统合成过程中使用的异氰酸酯单体具有强反应活性和毒性，给工业生产带来安全隐患。同时，如何将纳米材料如单壁碳纳米管（SWCNT）均匀分散于聚合物基质，仍是制备高性能纳米复合材料的技术瓶颈。

印度化学学会期刊《Journal of the Indian Chemical Society》近期发表的研究中，来自CSIR-皮革研究所（CLRI）的Sourita Jana团队提出创新解决方案。研究人员选用3-苯基-1H-吡唑作为封端剂，通过"一锅法"同步实现甲苯二异氰酸酯（TDI）的安全封存和聚氨酯/SWCNT纳米复合材料的原位合成。这种策略既解决了异氰酸酯的操作风险（封端产物可稳定储存6个月），又利用解封温度（200°C）与聚合反应的协同效应，实现了SWCNT在聚氨酯基质中的均匀分散。

关键技术包括：1）采用3-苯基-1H-吡唑对TDI进行封端，通过核磁共振（NMR）验证封端结构；2）在无溶剂条件下通过热引发解封并同步完成聚氨酯聚合；3）使用聚乙二醇（PPG-1000/2000/3000）作为软段调控材料性能；4）通过场发射扫描电镜（FESEM）和高分辨透射电镜（HRTEM）表征SWCNT分散性；5）采用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估材料热稳定性。

【INTRODUCTION】
研究背景显示，传统聚氨酯复合材料在污水处理中可去除微生物、氯酚等污染物，但存在功能单一、机械强度不足等问题。而SWCNT的引入可显著提升材料导电性和力学性能，但非共价混合易导致纳米管团聚。

【METHODS】
通过三步反应路线：Scheme 1展示TDI与封端剂的反应；Scheme 2演示不同聚醇参与的解封聚合；Scheme 3特别说明含0.25-0.75wt% SWCNT的纳米复合材料合成路径。

【RESULTS AND DISCUSSION】
1）封端效率：3-苯基-1H-吡唑封端TDI产率达72%，解封温度200°C恰好匹配聚合需求；2）结构表征：FTIR证实-NCO基团在封端后完全消失，解封后重新出现；3）纳米分散：HRTEM显示SWCNT在0.5wt%添加量时达到最佳分散；4）热性能：TGA表明含0.75wt% SWCNT的复合材料初始分解温度提升15°C。

【CONCLUSION】
该研究开创性地将封端化学应用于聚合物纳米复合材料合成，实现三大突破：1）建立异氰酸酯的安全操作范式；2）开发无溶剂环保工艺；3）通过精确控制解封温度实现SWCNT的均匀分散。材料在接触角测试中显示疏水性增强（水接触角>90°），预示其在防水涂层领域的应用潜力。CSIR-CLRI团队的研究为多功能纳米复合材料开发提供了兼具安全性和高效性的新策略。