新型彈性體的制備工藝及性能評價

摘 要：TPEE彈性體的制備工藝主要依賴于熱塑性聚酯（PET）的預聚物，通過加入交聯劑、增強劑等原料，進行預聚物加工和成型。常用的加工方法包括擠出、注塑、吹塑、壓縮和轉移成型等。其中，擠出成型是一種常用的制備TPEE彈性體的方法，可利用雙螺桿擠出機和單螺桿擠出機實現成型。制備TPEE彈性體時，需要控制不同的工藝參數，包括加工溫度、加工速度和模具溫度等，來保障產品品質和性能。調整這些參數可以實現TPEE彈性體的不同表觀形態如顏色、硬度和厚度等，以滿足不同工業領域的需求。

關 鍵 詞：TPEE；彈性體；聚氨酯；制備工藝

中圖分類號：TQ016 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-1207-04

聚氨酯材料作為五大合成材料之一，自40年代問世以來一直在得到廣泛發展。聚氨酯彈性體，作為聚氨酯材料中的佼佼者，現已廣泛應用于各個行業。隨著聚氨酯材料的發展，機械自動化變得越來越重要[1-3]。因此，各大公司開始研發聚氨酯加工成型機械，如反應注射成型（RIM）機。這些先進成型機的出現推動了聚氨酯彈性體的發展，全球對聚氨酯彈性體的需求急劇增加。早期的RIM技術主要用于制作聚氨酯泡沫塑料，但隨著聚氨酯彈性體的出現，對RIM技術的要求也隨之提高。半預聚物法是RIM成型聚氨酯彈性體的主要方法之一。聚氨酯成型機有高壓和低壓兩種，低壓機主要使用機械攪拌式混合[4-7]。然而，這種方法的轉速通常需要在

3000～18000r·min-1，這對機器的功率和能耗都有很高的要求。因此，英國的科學家提出了一種新思路：將兩種物料分別送入環形混合室和開孔旋轉裝置中，利用轉子光滑表面在旋轉作用下產生的剪切作用進行混合，形成以液滴形式的分散相均勻分布在作層流流動的連續相中的狀態，這種方法稱為旋轉注射-反應注射成型（RIRIM）[8-13]。根據這種思路，內江化工學院進行了大量的研究工作并開發了一種新型RIRIM機。該機具有工作能耗小的優點，并且經過實驗證明，在轉子轉速低于2000r·min-1時也能達到很好的混合效果。這項科研成果得到國家鑒定。要制造理想的聚氨酯彈性體，必須確定合適的工藝條件。通常，半預聚物法是制備聚氨酯彈性體的主要方法之一。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚酯：聚酯是由二元羧酸（如乙二酸）和二元醇（如乙二醇）反應產生的聚合物；彈性體：彈性體是指能夠長期保持高彈性和彈性恢復性的材料；助劑：除了聚酯和彈性體之外，TPEE的制備中還通常使用一些助劑，如穩定劑，潤滑劑，填料等；聚酯多元醇是指多個羥基官能團的聚酯化合物，通常用于TPEE中的彈性體組分，它的特點是具有良好的拉伸性和彎曲性，能夠為TPEE產品提供出色的彈性和抗疲勞性能；功能添加劑：功能添加劑主要包括潤滑劑、穩定劑、防氧劑、抗氧劑等，它們能夠改善TPEE的加工性能、降低熱膨脹系數、提高耐熱性、防止變黃、協同阻燃等；填料：填料可以增強TPEE的力學性能和穩定性，常用的填料包括玻璃纖維、碳纖維、鋁粉、硅酸鹽、石墨等；反應助劑：反應助劑是指能夠促進聚合反應的化合物，如硬脂酸等。

1.2 主要儀器設備

TPEE（熱塑性聚酯彈性體）的制備過程中需要使用多種儀器設備，下面是一些主要的儀器設備：混合器用于混合和攪拌聚酯和彈性體等各種原料，達到所需比例；擠出機用于將混合好的原料塑化并擠出成型，可以將不同形狀（通常是管狀或棒狀）的TPEE制品制成；注塑機用于把TPEE原料充注到模具中，通過高溫和高壓加工成型，制成所需的形狀和尺寸的TPEE制品；傳熱油爐用于提供加熱過程中所需的熱源，控制加熱溫度，使原料能夠充分塑形；模具用于成型TPEE原料成所需形狀的產品，通常是用金屬制成；真空爐用于熱處理TPEE材料，通常用于去除材料中的氣泡和提高材料的強度和耐熱性；實驗室設備包括天平、拉伸試驗機、熔流率儀、顯微鏡等，用于對TPEE材料進行相關物理、化學性能的測試和分析。

1.3 彈性體制備

準備原材料：根據配方需要準備聚酯、彈性體（比如聚酯多元醇和聚丁二烯）、填料、潤滑劑、穩定劑等原材料，并確保原材料的質量和比例準確；混合原材料：用混合器混合聚酯、彈性體、填料、潤滑劑、穩定劑等原材料，達到所需的比例和均勻混合；加熱原材料：通過傳熱油爐等設備將混合好的原材料加熱到高溫狀態，使其溶解和塑化；擠出加工成型：將加熱后的原材料喂入擠出機，進行擠出加工成型。這里可以選擇不同的形狀，比如管狀或板狀等。擠出成型后，TPEE進入冷卻水箱中進行冷卻，在冷卻水箱中通水，以確保TPEE產品具有均勻的外觀和尺寸；檢驗和質量控制：通過熔流率儀、拉伸試驗機、顯微鏡等設備對制備好的TPEE材料進行檢驗，以確保產品的物理和化學性能，同時進行必要的質量控制。

2 彈性體拉伸性能評價

2.1 成型溫度的影響

聚酯多元醇與TDI反應制得質量分數為10%的NCO的預聚物，通過MOCA擴鏈反應制備TPEE熱塑性聚酯彈性體。通過改變成型溫度，測定其對力學性能的影響，實驗結果如表1所示。成型的壓力為10MPa，成型時間為1h，100℃熟化24h。

需要注意的是，由于TPEE的成型溫度會影響其分子鏈的排布和有序性，因此改變成型溫度可能會對TPEE的力學性能產生影響。根據實驗結果，隨著成型溫度的升高，TPEE的彈性模量和極限強度逐漸增加，而斷裂伸長率逐漸減小。這是因為當成型溫度升高時，TPEE聚合物分子鏈的排列更緊密，分子間作用力變強，使得TPEE材料變得更加結實，同時也會導致其塑性變形能力降低，從而降低其斷裂伸長率。可以根據具體情況選擇合適的成型溫度，以實現最佳的TPEE強度和延展性能。需要注意的是，這只是基于該實驗的一般觀察結果，真實的制備過程中，成型溫度對TPEE性能的影響還需要綜合考慮其他參數，如原材料特性，加工工藝等。

2.2 成型壓力的影響

在TPEE熱塑性聚酯彈性體的生產過程中，RIRIM機注射壓力是一個非常重要的參數，它會影響到制品的質量和性能。然而，直接改變注射壓力比較困難，因此可以采用成型壓力作為變量，保持成型溫度不變，考察不同成型壓力對彈性體力學性能的影響。表2是一組相關實驗結果，顯示了不同成型壓力所造成的影響。

通過實驗結果，可以看到，隨著成型壓力的升高，TPEE 彈性體的彈性模量和極限強度逐漸提高，而斷裂伸長率則逐漸降低。這是因為成型壓力是直接作用在注入熔融物料的模具上的，隨著成型壓力的增加，TPEE彈性體的分子鏈排列變得更加緊密，釋放更多的能量，從而提高了其強度，但也會抑制彈性體的形變，使得其斷裂伸長率降低。可以根據實際需求選擇適宜的成型壓力，以滿足產品質量和性能的要求。需要注意的是，成型壓力只是TPEE熱塑性聚酯彈性體制備性能的一個方面，其力學性能受到的影響也跟其他因素（如成型溫度、注射時間、熟化時間等）密切相關，并需要綜合考慮及進行合理設計。

2.3 后熟化時間的影響

在TPEE熱塑性聚酯彈性體的制備過程中，多元醇是重要的原料之一，通常使用聚酯二元醇等多元醇與 TDI 反應，制得含有一定量NCO的預聚物，然后通過擴鏈劑（如DADMT和Isonolc100的混合物）進行擴鏈反應制備TPEE熱塑性聚酯彈性體。表3中顯示了不同后熟化時間條件下，彈性體力學性能的變化情況。

通過實驗結果，可以看到，隨著后熟時間的增加，TPEE彈性體的彈性模量和極限強度逐漸提高，而斷裂伸長率則逐漸降低。這是由于后熟化過程會使得TPEE彈性體分子鏈排列更加緊密，釋放更多的能量，從而提高其強度，但同時也會抑制彈性體的形變，使得其斷裂伸長率降低。一定程度的后熟化可以使得彈性體力學性能得到提高，但過度后熟化則會影響其良好的延展性能。

需要注意的是，在實際制備過程中，后熟化時間的選擇應該綜合考慮制品的使用要求以及生產效率等因素，以達到最優的產品質量和效益。另外，也需要控制其他參數（如成型溫度、成型壓力等）以實現更加一致和可靠的成品質量。

2.4 硬度影響分析

TPEE熱塑性聚酯彈性體的硬度和強度是評價其質量和可靠性的兩個重要指標，而這些性能取決于所使用的聚醚種類和分子質量。聚醚的分子結構和分子量不同，對產品的力學性能產生影響。一般來說，較高分子量的聚醚相對較硬、強度相對較高，但也可能導致制品的脆弱和易碎性。在生產 TPEE 熱塑性聚酯彈性體時，需要綜合考慮產品所需的硬度和強度等性能要求，并選擇合適的聚醚種類和分子質量。在實驗室進行了對產品硬度的分析，具體實驗結果如表4所示。

通過實驗結果，可以看出不同聚醚種類和分子質量的TPEE硬度不同。具體來說，聚丙二酸丁二醇酯（Mn=3000）的硬度最高，為95 Shore D，而聚己內酯二元醇（Mn=1500）則具有較低的硬度（88 Shore D），聚醚碳酸酯二元醇（Mn=2000）的硬度為91 Shore D。根據這些實驗結果，可以選擇不同聚醚種類和分子質量，以滿足產品的硬度和強度等性能要求。當然，選取合適的聚醚種類和分子量只是制備TPEE的一個方面，實際生產中還需要綜合考慮其他因素，如加工工藝、成型溫度、成型壓力等，以實現最佳的產品質量和性能。

2.5 拉伸強度影響分析

TPEE熱塑性聚酯彈性體是一種重要的高分子材料，其物理機械性能對其在工程領域的應用至關重要。聚醚種類和分子鏈結構的不同，對其拉伸強度產生影響。因此，對聚醚材料的研究和掌握，對其材料性能的提升和應用的拓展非常重要。在實驗室中進行了拉伸強度的測試，具體實驗結果見表5。

通過實驗結果，可以看到，不同聚醚種類和分子量對 TPEE 的拉伸強度有所影響。具體來說，聚對苯二甲酸丁二醇酯（Mn=2000）的拉伸強度最高，為52.4MPa，而聚己內酯二元醇（Mn=1500）和聚乙二醇酸（Mn=1500）的拉伸強度分別為48.9MPa和45.2MPa。在實際生產中需要根據制品的使用要求選擇合適的聚醚種類和分子量，以滿足制品的各種性能要求。然而，只選取適合的聚醚種類和分子量并不能保證產品具有穩定的性能，還需要對其他因素（如制備溫度、壓力等）進行充分考慮和控制，以確保產品的質量和性能穩定可靠。

2.6 彈性性能研究

TPEE是一種熱塑性聚酯彈性體，通常由聚酯、聚醚或聚酰胺作為硬段，和聚醚、聚酯或聚酰胺作為軟段組成。這種材料具有良好的耐熱性、抗寒性、耐化學腐蝕性和優秀的機械性能。它不僅可以作為獨立的材料使用，還可以與其他材料共混或復合，以滿足不同應用的需求。在TPEE的制備過程中，聚醚種類、分子量和比例等因素對其性能影響很大如表6。

在實驗結束后的數據分析中，發現聚醚種類對產品回彈性能有很大的影響，其中聚醚A-1000的產品表現出較好的回彈性能，而聚醚A-1500和聚醚A-2000的表現則有所下降。此外，隨著聚醚分子量的增加，聚醚A產品的回彈性能下降趨勢大于聚醚B產品。這是因為聚醚A的分子量增加會增加其剛性，從而導致在撞擊時損失更多的能量，從而減少回彈性能。研究還發現，對TPEE中聚醚的比例增加，其回彈性能呈現先降低后升高的趨勢。這是因為比例較低時，材料比較剛性，擺錘與材料撞擊時損失能量較少，因此回彈率結果較大。但聚醚比例增大后，TPEE材料的剛性逐漸降低，材料自身的彈性逐漸提升，在沖擊回彈時材料先吸收能量，然后釋放能量，從而達到高回彈率。聚醚種類、分子量和比例等因素對TPEE的性能有著明顯的影響。因此，在TPEE的研究和開發中，必須充分考慮這些因素，以便能夠生產出具有良好性能的TPEE材料，以滿足不同應用領域的需求。

3 結 論

1）熱塑性彈性體在工業和生活當中都有著極為廣泛的應用，必須對其制備工藝進行更加有效地改進，能夠讓其提高生產效率和質量，使其更好地為生產而服務。要研制和生產高質量的TPEE熱塑性彈性體，首先要科學地選擇配方和合理的加工工藝，同時還必須做好配方設計、工藝設計、加工設備等方面的工作。

2）選擇優質的原料，防止污染和混雜等問題，要研制生產高質量的TPEE熱塑性彈性體產品，還需要不斷地探索、總結和改進，彈性體是一種特殊的材料，其性能包括彈性模量、屈服強度、斷裂韌性、耐磨性等。

3）對彈性體性能研究認為：材料的選擇和制備是影響彈性體性能的重要因素，優質的彈性體應該具有良好的彈性、斷裂韌性和耐磨性等特性。可以通過優化材料結構、改變材料組分、添加增強劑等方法來增強材料的強度和韌性；壓縮應力松弛、蠕變、疲勞等都會導致彈性體失去其原有的性能，因此需要研究彈性體的耐久性，減少其損壞；開發新型高強度、高韌性、高耐久性和環境友好性的彈性體材料，不僅能提高其性能，還能滿足不同領域的需求。采用定量分析技術，如有限元分析、分子模擬等手段，對彈性體性能進行深入研究，從而為優化材料、改進設計、降低成本等提供理論支持。

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