PPG/TDI-80/MOCA浇注型聚氨酯弹性体的制备及性能

2018-09-06孟美俊孙宏宾

山西化工 2018年4期

孟美俊，孙宏宾

(太原工业学院材料工程系，山西太原 030008)

引言

聚氨酯弹性体是介于橡胶与塑料之间的高分子聚合物，其独特的结构赋予其优良的力学性能[1]。在相同硬度下，该种材料比其他弹性体的承载能力高；抗震、抗疲劳性好，可适用于高频挠曲应用；强度高、弹性好，可以在较宽的硬度范围内仍然保持较好的弹性；耐磨性能优异，是普通橡胶的3倍～5倍；耐化学性和耐油脂性较好；加工和模塑的成本低；抗冲击回弹性高；不用增塑剂就可达到所需的低硬度材料，因此无增塑剂迁移带来的问题[2]。浇注型聚氨酯弹性体的产品主要有筛板、滑板轮、吸盘、载重轮、密封圈、万向轮、齿轮、玩具、滚筒胶辊等，因此，聚氨酯广泛地应用在我们的日常生活中。同时，由于其合成容易、工艺简单、性能优异等特点，已广泛用于泡沫、涂料、黏合剂、氨纶以及弹性体。聚氨酯根据合成方法可以分为浇注型聚氨酯、热塑型聚氨酯、混炼型聚氨酯，浇注型聚氨酯弹性体是聚氨酯中产量最大和应用最广的的一种[3]。本文以PPG、TDI-80和MOCA为原料，采用预聚体法制备CPU弹性体，研究预聚体—NCO基含量对聚氨酯弹性体相关性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

PPG，Mn=1 500，工业级，山东蓝星东大化工有限责任公司；TDI-80，工业级，沧州大化集团有限责任有限公司；MOCA，工业级，杭州崇舜化学有限公司。

1.2 主要仪器及设备

平板硫化仪，XLB-400，山东青岛鑫城一鸣橡胶有限公司；橡胶冲击弹性试验机，JG-4065，江都市金刚机械厂；邵尔硬度计，GS-MB1，高铁检测仪器(东莞)有限公司；万能试验机，GOTECH AI-7000M，台湾高铁检测仪器有限公司；电子天平，AR1140，上海杰力仪器有限公司；电动搅拌器，JJ-1，金坛市宏华仪器厂；维卡软化点温度测定仪，HD/T/V-2203，承德市金建检测仪器有限公司。

1.3 试样的制备

1) 预聚体的制备：定量称取经过脱水的PPG，加入TDI-80，80 ℃反应2 h后，停止反应，将所得预聚体倒入棕色封口瓶中避光保存，滴定所得到预聚体—NCO含量。

2) 扩链反应：称取一定量已知—NCO含量的预聚体，称取MOCA样品，快速搅拌后倒入预热好的模具中，放入100 ℃的平板硫化机中硫化30 min，压力为10 MPa，硫化完成后，将试片放入100 ℃的烘箱，进行16 h的后硫化，完成后将试片在室温下放置一周左右即可测试性能。其基本配方如第14页表1所示。

表1 制备不同—NCO含量预聚体的配方

1.4 测试与表征

采用维卡软化点测定仪按照GB/T 1633-2000标准对试样维卡软化点进行测定，试样规格10 mm×10 mm×4 mm，升温速度120 ℃/h;

力学性能测试：用硬度计按照GB/T 531.1-2008标准测试硬度；

用万能试验机，按照GB/T 528-2009标准测试试样的拉伸强度、断裂伸长率和定伸应力等，拉伸速率500 mm/min；

按照GB/T1681-2008标准测试冲击弹性。

2 结果及讨论

2.1 预聚体—NCO含量对性能的影响

采用PPG作为低聚物多元醇，TDI-80作为多异氰酸酯再以MOCA作扩链剂，分别制备—NCO含量为3.5%、4.0%、4.5%、5.0%、5.5%的CPU，分析其力学性能的变化规律。

测试制备的5种—NCO含量不同的CPU的力学性能，测试结果见表2和图1。

表2 不同—NCO含量的预聚体所制得的弹性体性能

从表2和图1可以看出，随着CPU中—NCO含量的提高，CPU的硬度(邵A)也随之逐渐升高，但从数据来看变化不是很明显，预聚体—NCO含量为3.5时最低，是78，—NCO含量为5.5时最高，为82。随着CPU中的—NCO含量的提高，其冲击弹性也是升高的，最低时为24%，最高时为28%，升高的幅度不是很大，但能看出差别。从图2中得出，随着—NCO含量增多，CPU的拉伸强度明显提高，最小—NCO含量为3.5%，相应的拉伸强度仅为19.08 MPa，—NCO含量为5.5%时，拉伸强度为22.29 MPa。其原因是,—NCO含量增加，硬段含量也将随之增加，硬段之间形成的微区体积分数就会增大，有利于两相分离，CPU的交联度将有所提高。弹性体的拉伸强度会随着预聚体—NCO含量的增加而增加。极性链段还会促使氢键形成，氢键的增加，会使分子间作用力越强，提高材料的强度，因此CPU弹性体撕裂强度会增加。提高弹性体的—NCO含量，就会增加硬段含量，提高交联度，拉伸强度和撕裂强度也就随之增高。扯断伸长率则随着—NCO含量的升高而呈降低趋势，这是由于，弹性体中的的—NCO含量增加，那么扩链剂的用量就会增加，就会使弹性体中的硬段含量增加，这就使得弹性体极性分子基团增加，将导致交联度的增加，所以，硬度、强度会增加，扯断伸长率下降[4-5]。

图1 不同异氰酸酯基含量的CPU弹性体的硬度和冲击弹性

图2 不同异氰酸酯基含量的CPU弹性体的拉伸强度和扯断伸长率

2.2 维卡软化温度的测试

测试不同—NCO含量的CPU维卡软化温度，测试结果见表3及第15页图3。

表3 —NCO含量不同的弹性体维卡软化温度

图3 不同—NCO含量的CPU的维卡软化温度

由表3和图3中可以看出，聚氨酯弹性体的—NCO含量越高，维卡软化点则越高，耐热性能就越好。

在聚氨酯弹性体的制备过程中，—NCO含量增高，随之就会使聚氨酯弹性体中的硬段含量增加[6]，硬段之间有一部分是缔合区，这个区域内甚至可以呈现结晶态，使得硬段不能够与软段相容，这个区域增大，还会使两相分离，会提高结晶度与交联度。所以，随着聚氨酯弹性体—NCO含量的提高，维卡软化点升高，也就说明耐热性更好[7]。

2.3 热重分析

图4为选取其中2个试样的热重分析图，从图4中可知，随着—NCO含量的增高，热分解温度虽然在增加，但基本上变化不是很大。这是因为，—NCO含量的增高，会使得弹性体中硬段含量增加，分子的极性增大，分子间作用力增强。再者，异氰酸酯基的增加使得聚合物中分子间容易发生固化与交联，也会增大分子间的作用力。弹性体分子间作用力增大，弹性体就不易被破坏，热稳定性就会提高。