PPG/TDI-80/MOCA澆注型聚氨酯彈性體的制備及性能

2018-09-06 06:52:44孟美俊孫宏賓

山西化工 2018年4期

孟美俊，孫宏賓

(太原工業學院材料工程系，山西太原 030008)

引言

聚氨酯彈性體是介于橡膠與塑料之間的高分子聚合物，其獨特的結構賦予其優良的力學性能[1]。在相同硬度下，該種材料比其他彈性體的承載能力高；抗震、抗疲勞性好，可適用于高頻撓曲應用；強度高、彈性好，可以在較寬的硬度范圍內仍然保持較好的彈性；耐磨性能優異，是普通橡膠的3倍～5倍；耐化學性和耐油脂性較好；加工和模塑的成本低；抗沖擊回彈性高；不用增塑劑就可達到所需的低硬度材料，因此無增塑劑遷移帶來的問題[2]。澆注型聚氨酯彈性體的產品主要有篩板、滑板輪、吸盤、載重輪、密封圈、萬向輪、齒輪、玩具、滾筒膠輥等，因此，聚氨酯廣泛地應用在我們的日常生活中。同時，由于其合成容易、工藝簡單、性能優異等特點，已廣泛用于泡沫、涂料、黏合劑、氨綸以及彈性體。聚氨酯根據合成方法可以分為澆注型聚氨酯、熱塑型聚氨酯、混煉型聚氨酯，澆注型聚氨酯彈性體是聚氨酯中產量最大和應用最廣的的一種[3]。本文以PPG、TDI-80和MOCA為原料，采用預聚體法制備CPU彈性體，研究預聚體—NCO基含量對聚氨酯彈性體相關性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

PPG，Mn=1 500，工業級，山東藍星東大化工有限責任公司；TDI-80，工業級，滄州大化集團有限責任有限公司；MOCA，工業級，杭州崇舜化學有限公司。

1.2 主要儀器及設備

平板硫化儀，XLB-400，山東青島鑫城一鳴橡膠有限公司；橡膠沖擊彈性試驗機，JG-4065，江都市金剛機械廠；邵爾硬度計，GS-MB1，高鐵檢測儀器(東莞)有限公司；萬能試驗機，GOTECH AI-7000M，臺灣高鐵檢測儀器有限公司；電子天平，AR1140，上海杰力儀器有限公司；電動攪拌器，JJ-1，金壇市宏華儀器廠；維卡軟化點溫度測定儀，HD/T/V-2203，承德市金建檢測儀器有限公司。

1.3 試樣的制備

1) 預聚體的制備：定量稱取經過脫水的PPG，加入TDI-80，80 ℃反應2 h后，停止反應，將所得預聚體倒入棕色封口瓶中避光保存，滴定所得到預聚體—NCO含量。

2) 擴鏈反應：稱取一定量已知—NCO含量的預聚體，稱取MOCA樣品，快速攪拌后倒入預熱好的模具中，放入100 ℃的平板硫化機中硫化30 min，壓力為10 MPa，硫化完成后，將試片放入100 ℃的烘箱，進行16 h的后硫化，完成后將試片在室溫下放置一周左右即可測試性能。其基本配方如第14頁表1所示。

表1 制備不同—NCO含量預聚體的配方

1.4 測試與表征

采用維卡軟化點測定儀按照GB/T 1633-2000標準對試樣維卡軟化點進行測定，試樣規格10 mm×10 mm×4 mm，升溫速度120 ℃/h;

力學性能測試：用硬度計按照GB/T 531.1-2008標準測試硬度；

用萬能試驗機，按照GB/T 528-2009標準測試試樣的拉伸強度、斷裂伸長率和定伸應力等，拉伸速率500 mm/min；

按照GB/T1681-2008標準測試沖擊彈性。

2 結果及討論

2.1 預聚體—NCO含量對性能的影響

采用PPG作為低聚物多元醇，TDI-80作為多異氰酸酯再以MOCA作擴鏈劑，分別制備—NCO含量為3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的CPU，分析其力學性能的變化規律。

測試制備的5種—NCO含量不同的CPU的力學性能，測試結果見表2和圖1。

表2 不同—NCO含量的預聚體所制得的彈性體性能

從表2和圖1可以看出，隨著CPU中—NCO含量的提高，CPU的硬度(邵A)也隨之逐漸升高，但從數據來看變化不是很明顯，預聚體—NCO含量為3.5時最低，是78，—NCO含量為5.5時最高，為82。隨著CPU中的—NCO含量的提高，其沖擊彈性也是升高的，最低時為24%，最高時為28%，升高的幅度不是很大，但能看出差別。從圖2中得出，隨著—NCO含量增多，CPU的拉伸強度明顯提高，最小—NCO含量為3.5%，相應的拉伸強度僅為19.08 MPa，—NCO含量為5.5%時，拉伸強度為22.29 MPa。其原因是,—NCO含量增加，硬段含量也將隨之增加，硬段之間形成的微區體積分數就會增大，有利于兩相分離，CPU的交聯度將有所提高。彈性體的拉伸強度會隨著預聚體—NCO含量的增加而增加。極性鏈段還會促使氫鍵形成，氫鍵的增加，會使分子間作用力越強，提高材料的強度，因此CPU彈性體撕裂強度會增加。提高彈性體的—NCO含量，就會增加硬段含量，提高交聯度，拉伸強度和撕裂強度也就隨之增高。扯斷伸長率則隨著—NCO含量的升高而呈降低趨勢，這是由于，彈性體中的的—NCO含量增加，那么擴鏈劑的用量就會增加，就會使彈性體中的硬段含量增加，這就使得彈性體極性分子基團增加，將導致交聯度的增加，所以，硬度、強度會增加，扯斷伸長率下降[4-5]。

圖1 不同異氰酸酯基含量的CPU彈性體的硬度和沖擊彈性

圖2 不同異氰酸酯基含量的CPU彈性體的拉伸強度和扯斷伸長率

2.2 維卡軟化溫度的測試

測試不同—NCO含量的CPU維卡軟化溫度，測試結果見表3及第15頁圖3。

表3 —NCO含量不同的彈性體維卡軟化溫度

圖3 不同—NCO含量的CPU的維卡軟化溫度

由表3和圖3中可以看出，聚氨酯彈性體的—NCO含量越高，維卡軟化點則越高，耐熱性能就越好。

在聚氨酯彈性體的制備過程中，—NCO含量增高，隨之就會使聚氨酯彈性體中的硬段含量增加[6]，硬段之間有一部分是締合區，這個區域內甚至可以呈現結晶態，使得硬段不能夠與軟段相容，這個區域增大，還會使兩相分離，會提高結晶度與交聯度。所以，隨著聚氨酯彈性體—NCO含量的提高，維卡軟化點升高，也就說明耐熱性更好[7]。

2.3 熱重分析

圖4為選取其中2個試樣的熱重分析圖，從圖4中可知，隨著—NCO含量的增高，熱分解溫度雖然在增加，但基本上變化不是很大。這是因為，—NCO含量的增高，會使得彈性體中硬段含量增加，分子的極性增大，分子間作用力增強。再者，異氰酸酯基的增加使得聚合物中分子間容易發生固化與交聯，也會增大分子間的作用力。彈性體分子間作用力增大，彈性體就不易被破壞，熱穩定性就會提高。