微孔聚氨酯弹性体实验研究

孙 巍， 孙 云

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

微孔聚氨酯弹性体实验研究

孙 巍， 孙 云

(沪东中华造船(集团)有限公司 军事代表室， 上海 200129)

研究了以聚合接枝聚醚多元醇和改性MDI为主要原材料，通过添加一定量的发泡剂、表面活性剂、醇胺交联剂等辅助原材料采用反应注射成型工艺制备出微孔聚氨酯弹性体，并对微孔聚氨酯弹性体的性能与实体聚氨酯弹性体进行对比。结果表明微孔聚氨酯弹性体具有与实体聚氨酯弹性体相当的机械性能和耐海水腐蚀性能，但微孔聚氨酯弹性体具有更高的能量吸收和较低的密度，适合用做舰船防撞抗振缓冲材料。

微孔聚氨酯弹性体 抗振缓冲

1 引言

聚氨酯弹性体对交变的应力作用表现出明显的滞后现象。在这一过程中外力作用的一部分能量消耗于弹性体分子的内摩擦，转变成为热能[1]。这种特性叫做材料的吸振性能，也称之为能量吸收性能或阻尼性能。轻质高弹微孔聚氨酯弹性体不但具有阻尼特性，而且是良好的高弹性材料，在受到撞击后可以通过热能转化和变形能吸收能量，是良好的缓冲材料[2]。另外微孔聚氨酯弹性体具有较强的抗腐蚀性能和抗老化性能、韧性好、强度高，且抗张能力和耐磨性较强，是舰船靠船作业减轻撞击的一条切实可行的技术途径。

2 聚氨酯弹性体实验研究

2.1 实验用主要原材料

聚酯醚多元醇：聚合接枝聚醚多元醇M=6 000，山东淄博东大聚氨酯有限公司；交联剂：1.4丁二醇，市售工业品；扩链剂：二乙基甲苯二胺(DETDA)，美国ETHYL公司；胺催化剂：三亚乙基二胺，德国高施米特公司(Tegoamin-33)；金属催化剂：二月桂酸二丁基锡，德国高施米特公司(Kosmos-19)；改性MDI，德国BASF公司；表面活性剂：吐温-80，市售工业品；发泡剂：环戊烷，市售工业品。

2.2 实验用仪器设备

电子天平：0～15kg，上海电子仪器有限公司；反应注射成型机：HE-60(7/7)型，意大利CANON公司；万能拉力试验机：AG-2 000A型，日本岛津公司；简支梁冲击试验机：XCJ-500型，美国Instron公司；强力搅拌器：JB300-D型，上海标本模型制造厂。

2.3 微孔聚氨酯弹性体制备

将聚合接枝多元醇、1.4丁二醇、二乙基甲苯二胺(DETDA)、三亚乙基二胺、二月桂酸二丁基锡、发泡剂、表面活性剂按照80∶8∶12∶0.1∶0.15∶2∶0.5的比例在50L搪瓷桶中混合，采用强力搅拌器搅拌60min，混合均匀得到A料。改性MDI为B料。

将反应注射成型机的两个加料泵分别放入盛放A料和B料的桶中，接通空压机电源，开机通气，将A、B料输送到反应注射成型机中。将模具加热到66℃～71℃，设定注射成型机各设备参数，料温20℃～40℃，注射流量500g/s，A:B组份比例为118:100注射成型，保温1min脱模，即得微孔聚氨酯弹性体舰船防撞装置。

2.4 微孔聚氨酯弹性体性能测试

密度：按照GB/T6343-1995规定的方法测试；抗拉强度：按照GB/T1701-2001规定的方法测试；断裂伸长率：按照GB/T1040.2-2006规定的方法测试；撕裂强度：按照GB/T529-2008规定的方法测试；冲击强度：按照GB/T528-2009规定的方法测试；硬度/(邵尔D)：按照GB/T2411-2008规定的方法测试；弯曲模量：按照GB/T9341-2008规定的方法测试；比吸能性：参照Q/CC206-1996规定的方法，采用铝弹测试；耐海水耐盐雾性能：按照GJB150.10-1986规定的方法测试。

3 实验结果与分析

3.1 微孔聚氨酯弹性体性能指标

采用以上配方及反应注射成型工艺[3]制备的微孔聚氨酯弹性体，经过性能测试，得到的测试结果如表1所示。

3.2 微孔聚氨酯弹性体轻量化的贡献

由表1可知，微孔聚氨酯弹性体不但具有非泡沫弹性体良好的机械性能，而且具有较低的密度。采用微孔聚氨酯弹性体制备舰船防撞装置，其密度为0.85 g/cm3，甚至更低。实体橡胶密度为1.25 g/cm3，所以微孔聚氨酯弹性体的密度是实体聚氨酯弹性体密度的68%，按照厚度50 mm的板材产品计算，每平方米可以减轻重量20 kg，按照每条船100 m2计算，可以比实体橡胶减重2 t，对于舰船的轻量化贡献较大。

微孔聚氨酯弹性体密度小，具有漂浮性，安装于舰船上可以进一步提高舰船的浮力。按照厚度50 mm的板材产品，每条船100 m2计算，全部浸入水中，其排水量为5 m3，去除其本身重量还能够产生0.75 t的浮力。

目前装备的轻量化要求较高，舰船的轻量化成为制约其机动性的瓶颈技术，在保障功能的前提下，质量越小越有利于提高舰船的机动性。

3.3 微孔聚氨酯弹性体吸能性

由表1可知，相对于实体聚氨酯弹性体，微孔聚氨酯弹性体具有更高的吸能特性。从机理上讲，聚氨酯弹性体在受到外力作用时，由于其优越的阻尼特性，将一部分能量转变成弹性体分子的内摩擦，摩擦生热产生一定的热量而消耗掉，当频率与大分子的松弛时间相近(同一量级)时，聚氨酯弹性体的能量衰减系数k一般为10～20%。

E转=E热

式中：E热为聚氨酯弹性体吸收能量转化成的热能；k1为能量衰减系数；E0为振动的初始能量。

由(1)式可知，室温条件下，聚氨酯弹性体一般可以吸收振动能量的10%～20%。

对于微孔聚氨酯弹性体来说，不仅具有良好的阻尼特性，将动能转化成热能。另外，微孔聚氨酯弹性还可以看成一个比较复杂的弹簧，在受到外力冲击时，产生较大的变形，将动能转化成变形能即弹性势能，因而吸收更多能量。

E转=E热

式中：k2为弹性系数；x为离开平衡位置的距离。

由(2)式可知微孔聚氨酯弹性体吸收的能量为能量衰减和弹性势能的总和，要远大于实体聚氨酯弹性体吸收的能量。

3.4 微孔聚氨酯弹性体耐海水能力强

聚氨酯弹性体在海水中浸泡1年，其拉伸强度为28.0MPa，硬度为87；浸泡2年，其拉伸强度为27.5MPa，硬度为88；浸泡3年，其拉伸强度为27.2MPa，硬度为89；3年后强度保持率为93.8%。

微孔聚氨酯弹性体在海水中浸泡1年，其拉伸强度为24.5MPa，硬度为66；浸泡2年，其拉伸强度为23.8MPa，硬度为66.5；浸泡3年，其拉伸强度为23.2MPa，硬度为67；其性能保持率为92.8%。

从耐海水性能试验可知，微孔聚氨酯弹性体的耐海水性能优越，比较适用于舰船的防撞装置。

4 结论

(1) 微孔聚氨酯弹性体不但具有实体聚氨酯弹性体良好的机械性能，而且具有较低的密度，具有漂浮性，安装于舰船上可以进一步提高舰船的浮力和机动性。

(2) 在受到同样的撞击后，相同质量的微孔聚氨酯弹性体比实体聚氨酯弹性体吸收更多的能量。

(3) 微孔聚氨酯弹性体与实体聚氨酯弹性体耐海水性能相当。

[1] 山西化工研究所.聚氨酯弹性体手册[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2] C.赫普伯恩著，高景臣等译.聚氨酯弹性体[M].北京：烃加工出版社，1987.

[3] Walter E Becker.Reaction Injection Molding[C].New York.

Study on Microcellular Polyurethane Elastomer for Ship

SUN Wei， SUN Yun

(Military Representative in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129， China)

The microcellular polyurethane elastomer based on graft polyether polyols,modified MDI diisocyanate as the main raw material,with the foaming agent,surfactant, diamine,diols,and other auxiliary materials are studied. The microcellular polyurethane elastomer are made by reaction injection molding.Through the research on the performance of microcellular polyurethane elastomer and solid polyurethane elastomer comparision, the result shows that the microcellular polyurethane elastomer has comparable mechanical properties and corrosion resistance to sea water. But the microcellular polyurethane elastomer has higher energy absorption and lower density. It is suitable for anti-vibration and cushion materials.

Microcellular polyurethane elastomer Anti-vibration and cushion

孙 巍(1979-)，男，工程师。

U672

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