斷橋鋁型材用聚醚型聚氨酯的力學性能研究

劉艷斌，譚月敏

(1 佛山市優耐高新材料有限公司，廣東 佛山 528244；2 廣州市白云化工實業有限公司，廣東 廣州 510540)

隨著人們生活水平的不斷提高，對居住環境舒適度的要求不斷提高，室內制冷和采暖成為建筑必備的功能，因此，對建筑隔熱保溫技術的研究成為綠色建筑行業的重要課題[1-3]。建筑門窗是建筑外圍護結構保溫性能最薄弱的部位，它的長期使用能耗占建筑圍護結構能耗的50%，占建筑總能耗的25%[4]。斷橋隔熱鋁合金窗與傳統的塑鋼門窗、鋁塑門窗相比具有良好的隔熱性能和防風性能，因此在建筑行業的應用非常廣泛[5]。而斷橋鋁合金門窗主要是窗框的傳熱問題。目前，市場上普遍采用“穿條式”和“澆注式”兩種形式的隔熱技術來解決鋁合金門窗窗框的傳熱問題，前者采用的是尼龍66隔熱條，而后者是RIM澆注成型的聚氨酯隔熱膠[6]。“穿條式”和“澆注式”兩種隔熱技術中，“澆注式”節能鋁型材具有更好的密封性、更高的等效慣性矩、相對較低的門窗成本等等優點，但是，由于“澆注式”采用的聚氨酯材料與“穿條式”采用的尼龍66材料相比，高溫性能較多較差，導致了“澆注式”節較“穿條式”在高溫橫向抗拉，縱向抗剪等力學性能相對較差。

因此，本文首先復配了不同類型的聚醚組合料，在澆注機中與異氰酸酯進行反應制備澆注料，然后澆注到鋁型材中來制備斷橋鋁合金型材。并對制備的聚醚型聚氨酯隔熱型材的力學性能進行研究，期望為聚醚型聚氨酯隔熱型材在斷橋鋁合金型材中的應用提供技術經驗。

1 實 驗

1.1 試 劑

聚醚多元醇組合料(a、b、c、d)，自制；異氰酸酯(聚合MDI，NCO含量30.64%)，工業級，煙臺萬華；催化劑，自制。

1.2 儀器設備

電熱恒溫鼓風干燥箱(DHG-9146A型)，青島明博環保科技有限公司；邵爾硬度計(LX-D型)，蘇州南光電子科技有限公司；聚氨酯澆注機(GL301型)，大城縣畢演馬錦民保溫設備廠；萬能試驗機(INSTRON-1185)，英國。

1.3 性能測試

邵氏硬度D，按GB/T2411-2008規定的試驗方法進行測試；高溫縱向抗剪強度，按GB/T 5237.6-2017規定的試驗方法進行測試；高溫橫向抗拉強度，按GB/T 5237.6-2017規定的試驗方法進行測試；室溫抗拉強度，按GB/T 23615.2-2017規定的試驗方法進行測試。

1.4 樣品制備

1.4.1 鋁合金型材樣品制備

在室溫下，準確稱取聚醚多元醇組合料(配方a)和催化劑于澆注機A料筒中攪拌均勻，構成A組份；將異氰酸酯(B組份)置于澆注機B料筒中。按照異氰酸酯指數為1的比例將A、B兩組份通過澆注機澆注到鋁型材中，30 min后，切橋，并制成長度為100 mm的試樣。

1.4.2 性能測試樣品的制備

按照異氰酸酯指數為1的比例將A、B兩組份通過澆注機澆注到測試所需的模具(模具根據相關測試的標準要求制作)中，脫模后在制樣機上制成標準試樣。試樣在70 ℃ 烘箱中熟化2 h，室溫放置24 h后，以備性能檢測所用。

1.4.3 系列樣品的制備

在催化劑量、異氰酸酯指數以及鋁型材型號固定的情況下，依據A組份中聚醚多元醇組合料配方的不同(配方b，配方c，配方d)。按照1.4.1和14.2的制備方法，可制備出系列注膠隔熱型材試樣。樣品中聚氨酯的硬鏈段和軟鏈段的比例示意圖如圖1所示。

圖1 聚氨酯的硬鏈段和軟鏈段的比例示意圖

2 結果與討論

2.1 聚醚多元醇組合料對隔熱型材常溫力學性能影響

2.1.1 硬度

不同聚醚多元醇組合料配方對隔熱膠固化后硬度的影響如圖2所示，隨著聚氨酯隔熱膠中配方a-配方d的軟鏈段含量的增加，聚氨酯隔熱膠材料的邵氏D硬度從80～70逐漸降低。在所配制的4個不同的聚醚多元醇組合料制備的隔熱型材的硬度均大于GB/T 23615.2-2017中II型產品的要求。

圖2 聚醚組合物對隔熱膠固后硬度的影響

2.1.2 拉伸性能

不同聚醚多元醇組合料配方對隔熱膠固化后抗拉性能的影響，實驗結果如表1所示。從配方a～d中，聚氨酯隔熱膠抗拉強度由42 MPa到24 MPa逐漸降低，斷裂伸長率由33%～69%卻逐漸增加。這主要是由于因為在所有聚醚多元醇配方中，配方a的聚醚多元醇組合料中的柔性鏈最短，擴鏈的聚氨酯的硬段的密度最大，硬段微品尺寸也最大，微相分離程度高，使其力學性能提高，但材料的斷裂伸長率則最低。這與我們前期研究結果的拉伸性能是一致[6]。由聚醚多元醇組合料a、b制備的隔熱膠的拉伸性能均大于GB/T 23615.2-2017中對I型和II型產品的相關要求。

表1 不同聚醚多元醇組合料配方對隔熱膠拉伸性能的影響

2.2 聚醚多元醇組合料對隔熱型材高溫力學性能影響

聚氨酯分子結構中，異氰酸酯的結構，聚醚的結構分子量，以及聚氨酯聚合物結果的規整度等均會對聚氨酯固化物的力學性能產生重要的影響[7-8]。聚氨酯隔熱型材的橫向抗拉強度和縱向抗剪強度是聚氨酯隔熱膠被破壞時最大強度，其值越高，則表示隔熱膠形成的膠體性能越好[9]。表2中，不同聚醚多元醇制備的隔熱型材的高溫橫向抗拉強度為46～79 N/mm，高溫縱向抗剪強度為38～59 N/mm。從測試的數據結果來看，測試結果都遠遠高于國家標準GB/T 5237.6-2017的要求。且同一個配方聚醚多元醇組合料制備的隔熱型材的高溫橫向抗拉強度高于縱向抗剪強度。不同配方聚醚多元醇組合料從配方a到配方d中，不同聚醚多元醇組合料制備的隔熱型材中軟鏈段的比例增加，硬鏈段的比例相對減少，導致隔熱型材中無論是橫向抗拉強度還是縱向抗拉強度均降低。這主要是由于不同聚醚多元醇組合料中硬段分子排列更加整齊，微相分離程度提高，高溫下的力學性能更高[6,9]。

表2 不同聚醚多元醇組合料對隔熱型材高溫力學性能的影響

3 結 論

通過自主配制的聚醚多元醇組合料制備墻斷橋鋁型材專用的高溫性能更高的聚氨酯隔熱膠及其性能研究顯示：隨著聚氨酯隔熱膠中配方a～配方d的軟鏈段含量的增加，聚氨酯隔熱膠型材的邵氏D硬度從80～70逐漸降低；抗拉強度由42 MPa到24 MPa逐漸降低，斷裂伸長率由33%～69%逐漸增加；隔熱型材的高溫橫向抗拉強度為46～79 N/mm，高溫縱向抗剪強度為38～59 N/mm。所測試的力學性能均遠遠高于國家標準GB/T 5237.6-2017的要求，遠遠高于GB/T 23615.2-2017中Ⅱ級隔熱膠的要求，完全可以滿足市場對高性能聚氨酯隔熱膠的需求。