单组分湿固化聚氨酯密封胶力学性能的研究

贾卫民， 薛 宏

( 山西省化工研究所(有限公司)，山西 榆次 030600)

密封胶是用来填充空隙(孔洞、接头、接缝等)的材料。密封胶种类有有机硅类(包括改性有机硅)、聚氨酯类、聚硫橡胶类、丙烯酸酯类、丁苯橡胶类、丁基橡胶类、沥青、油性嵌缝胶类等，最早使用的密封胶有沥青类、油嵌缝胶等。而用于填充须经受振动或热胀冷缩等所致具有伸缩性的间隙，则必须用弹性密封胶。弹性密封胶是将黏结和密封两种功能集于一身的产品。其中，性能较好的三类高档弹性密封胶分别是有机硅密封胶、聚硫密封胶和聚氨酯密封胶。聚氨酯密封胶有单组分密封胶和双组分密封胶两种。单组分湿固化聚氨酯密封胶是由端—NCO基团聚氨酯预聚体与填料、增塑剂、添加剂配合而成[1]。

建设产业需求量的增大促进了聚氨酯密封胶快速发展，而且，随着汽车、航空和造船行业的发展，对于聚氨酯密封胶的需求量越来越大，这表明聚氨酯密封胶产品的市场前景十分广阔。目前，单组分湿固化聚氨酯的相关研究成果较多[2-9]，但其中对于其力学性能的影响因素及机理研究较少[10]。本文主要探讨了预聚体—NCO含量、填料种类、填料用量、触变剂用量和炭黑用量对于单组分湿固化聚氨酯密封胶力学性能的影响及机理。

1 实验部分

1.1 主要原料

1.2 主要仪器

动力混合机，DHL-10L，东莞市泰睿机械设备有限公司；电子万能试验机，DR-6000A，扬州德瑞仪器设备有限公司；橡胶硬度计，LX-A型，上海万衡精密仪器有限公司。

1.3 聚氨酯密封胶的合成

1.3.1 预聚体的制备

将一定质量的二元醇和三元醇混合的聚氧化丙烯多元醇在100 ℃～110 ℃条件下真空脱水2 h，然后冷却至60 ℃，加入计量的TDI，在80 ℃下搅拌保温反应2 h，取样分析—NCO基的质量分数，达到设计—NCO基值时，即为预聚体，密封充氮保存待用。

1.3.2 密封胶的制备

按配方比例称量计量的填料和炭黑在130 ℃下烘干12 h后倒入动力混合机中，分散均匀后降至50 ℃，加入聚氨酯预聚体，搅拌均匀后加入计量的触变剂气相二氧化硅、增塑剂DOP、偶联剂KH-550和催化剂二月桂酸二丁基锡等助剂，真空下搅拌并高速分散1 h，出料，密封保存待用。

1.4 力学性能测试

拉伸强度、拉断伸长率和300%定伸应力按GB/T528-2009标准测定；邵尔硬度按GB/T 531.1-2008标准测定；撕裂强度按GB/T 529-2008标准测定。

2 结果与讨论

2.1 预聚体—NCO含量对力学性能的影响

固定单组分湿固化聚氨酯密封胶其余组分比例不变，改变预聚体—NCO含量，制备的密封胶力学性能见表1。

表1 预聚体—NCO含量对力学性能的影响

由表1可以看出，随着预聚体—NCO含量增加，密封胶的硬度、拉伸强度、300%定伸应力和撕裂强度增大，拉断伸长率降低。这是由于，随预聚体—NCO基含量的提高，硬段含量增加，氨基甲酸酯质量分数增加，氢键作用增强，使硬度、拉伸强度、300%定伸应力和撕裂强度增大；同时，密封胶固化时交联密度增大，交联点之间的相对分子质量减小，分子链活动范围受限，造成断裂伸长率减小。

2.2 填料种类对力学性能的影响

固定单组分湿固化聚氨酯密封胶其余组分比例不变，改变填料碳酸钙的种类，制备的密封胶力学性能见表2。

表2 填料对力学性能的影响

加入填料能够显著降低密封胶产品的成本，提高市场竞争力。从表2可以看出，在选取的3种碳酸钙中以纳米碳酸钙为填料制成的密封胶性能最好。这是由于，与重质碳酸钙、轻质碳酸钙和滑石粉相比纳米碳酸钙粒粒径较小，表面容易被聚氨酯预聚体湿润，与胶料有很好的亲和性，更好地分散于预聚体中，有利于提高密封胶的补强效果，使制得的密封胶性能更好。

2.3 填料用量对力学性能的影响

改变填料纳米碳酸钙的用量，固定单组分湿固化聚氨酯密封胶其余组分比例不变，制备的密封胶力学性能见表3。

表3 填料用量对力学性能的影响

由表3可知，随着纳米碳酸钙添加量的提高，密封胶的硬度、拉伸强度和撕裂强度都逐渐提高，说明纳米碳酸钙由于具有相对较小的粒径，能够更好地分散于密封胶体系中，具有较好的补强效果。但随着纳米碳酸钙的含量增加，密封胶的黏度也在逐渐增大，使用时流动性较差，影响密封胶的施工效果。

2.4 触变剂用量对力学性能的影响

改变触变剂用量，保持单组分湿固化聚氨酯密封胶其余组分用量不变，制备的密封胶力学性能见表4。

表4 触变剂用量对力学性能的影响

触变剂是聚氨酯密封胶的重要助剂之一，在密封胶在斜面或垂直面施工时，能够有效防止密封胶料下垂、流淌和塌陷。气相二氧化硅是最常用的触变剂，从表4可以看出，随着气相二氧化硅用量的增加，密封胶的综合性能略有提高，说明气相二氧化硅具有一定的补强作用，但密封胶的黏度随着触变剂用量的提高也在逐渐增大，触变剂含量过高会影响密封胶的正常施工。

2.5 炭黑用量对力学性能的影响

改变炭黑用量，固定单组分湿固化聚氨酯密封胶其余组分比例不变，制备的密封胶力学性能见表5。

表5 炭黑用量对力学性能的影响

炭黑具有一定的触变性和补强性，在制备聚氨酯密封胶时加入一定量的炭黑能够很好地改变其性能。而且炭黑颗粒表面有许多微孔，能够吸附部分气体，有效防止因气体产生的胶层起泡现象。从表5可以看出，随着炭黑添加量的提高，密封胶的硬度、拉伸强度和撕裂强度都有所提高，这是由于炭黑对于密封胶的补强所致。

3 结论

1) 随着预聚体—NCO含量增加，密封胶的硬度、拉伸强度、300%定伸应力和撕裂强度增大，拉断伸长率降低。

2) 碳酸钙类填料中纳米碳酸钙制成的密封胶综合性能最好。

3) 纳米碳酸钙含量的增加使密封胶的硬度、拉伸强度和撕裂强度都逐渐提高，但含量过高会造成黏度较大。

4) 气相二氧化硅用量的增加使密封胶的综合性能略有提高，但含量过高会造成黏度较大。

5) 随着炭黑添加量的提高，密封胶的硬度、拉伸强度和撕裂强度都有所提高。

参考文献：

[1] 李绍雄，刘益军.聚氨酯树脂及其应用[M].北京:化学工业出版社,2002：432.

[2] 杨建恩.单组分湿固化聚氨酯建筑密封胶的生产工艺[J].粘接，2002，23(3)：4-6.

[3] 李建立.单组分聚氨酯玻璃粘合密封胶在汽车生产中的应用[J].中国胶粘剂，2004，13(2)：36-37.

[4] 杨足明，罗纪明，马德军，等.组分湿固化聚氨酯系列密封胶的研制[J].粘结，2006，27(4)：19-21.

[5] 韩洪武，张洪林，佘红梅，等.单组分湿固化聚氨酯密封胶储存稳定性的研究[J].化学与黏合，2006，28(3)：137-139.

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[7] 白金，杨海玉，张洪林，等.单组分湿固化聚氨酯密封胶预聚体的合成研究[J].化学与黏合，2007，29(5)：309-311.

[8] 李吉明，薛纪东，钟汉荣，等.单组分湿固化硅烷封端聚氨酯密封胶的制备及性能研究[J].化学与黏合，2012，34(1)：13-16.

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[10] 白金，丛茂生，张洪林，等.单组分湿固化聚氨醋密封胶的力学性能的研究[J].化学与黏合，2007，29(6)：384-386.