断桥铝型材用聚醚型聚氨酯的力学性能研究

刘艳斌，谭月敏

(1 佛山市优耐高新材料有限公司，广东 佛山 528244；2 广州市白云化工实业有限公司，广东 广州 510540)

随着人们生活水平的不断提高，对居住环境舒适度的要求不断提高，室内制冷和采暖成为建筑必备的功能，因此，对建筑隔热保温技术的研究成为绿色建筑行业的重要课题[1-3]。建筑门窗是建筑外围护结构保温性能最薄弱的部位，它的长期使用能耗占建筑围护结构能耗的50%，占建筑总能耗的25%[4]。断桥隔热铝合金窗与传统的塑钢门窗、铝塑门窗相比具有良好的隔热性能和防风性能，因此在建筑行业的应用非常广泛[5]。而断桥铝合金门窗主要是窗框的传热问题。目前，市场上普遍采用“穿条式”和“浇注式”两种形式的隔热技术来解决铝合金门窗窗框的传热问题，前者采用的是尼龙66隔热条，而后者是RIM浇注成型的聚氨酯隔热胶[6]。“穿条式”和“浇注式”两种隔热技术中，“浇注式”节能铝型材具有更好的密封性、更高的等效惯性矩、相对较低的门窗成本等等优点，但是，由于“浇注式”采用的聚氨酯材料与“穿条式”采用的尼龙66材料相比，高温性能较多较差，导致了“浇注式”节较“穿条式”在高温横向抗拉，纵向抗剪等力学性能相对较差。

因此，本文首先复配了不同类型的聚醚组合料，在浇注机中与异氰酸酯进行反应制备浇注料，然后浇注到铝型材中来制备断桥铝合金型材。并对制备的聚醚型聚氨酯隔热型材的力学性能进行研究，期望为聚醚型聚氨酯隔热型材在断桥铝合金型材中的应用提供技术经验。

1 实 验

1.1 试 剂

聚醚多元醇组合料(a、b、c、d)，自制；异氰酸酯(聚合MDI，NCO含量30.64%)，工业级，烟台万华；催化剂，自制。

1.2 仪器设备

电热恒温鼓风干燥箱(DHG-9146A型)，青岛明博环保科技有限公司；邵尔硬度计(LX-D型)，苏州南光电子科技有限公司；聚氨酯浇注机(GL301型)，大城县毕演马锦民保温设备厂；万能试验机(INSTRON-1185)，英国。

1.3 性能测试

邵氏硬度D，按GB/T2411-2008规定的试验方法进行测试；高温纵向抗剪强度，按GB/T 5237.6-2017规定的试验方法进行测试；高温横向抗拉强度，按GB/T 5237.6-2017规定的试验方法进行测试；室温抗拉强度，按GB/T 23615.2-2017规定的试验方法进行测试。

1.4 样品制备

1.4.1 铝合金型材样品制备

在室温下，准确称取聚醚多元醇组合料(配方a)和催化剂于浇注机A料筒中搅拌均匀，构成A组份；将异氰酸酯(B组份)置于浇注机B料筒中。按照异氰酸酯指数为1的比例将A、B两组份通过浇注机浇注到铝型材中，30 min后，切桥，并制成长度为100 mm的试样。

1.4.2 性能测试样品的制备

按照异氰酸酯指数为1的比例将A、B两组份通过浇注机浇注到测试所需的模具(模具根据相关测试的标准要求制作)中，脱模后在制样机上制成标准试样。试样在70 ℃ 烘箱中熟化2 h，室温放置24 h后，以备性能检测所用。

1.4.3 系列样品的制备

在催化剂量、异氰酸酯指数以及铝型材型号固定的情况下，依据A组份中聚醚多元醇组合料配方的不同(配方b，配方c，配方d)。按照1.4.1和14.2的制备方法，可制备出系列注胶隔热型材试样。样品中聚氨酯的硬链段和软链段的比例示意图如图1所示。

图1 聚氨酯的硬链段和软链段的比例示意图

2 结果与讨论

2.1 聚醚多元醇组合料对隔热型材常温力学性能影响

2.1.1 硬度

不同聚醚多元醇组合料配方对隔热胶固化后硬度的影响如图2所示，随着聚氨酯隔热胶中配方a-配方d的软链段含量的增加，聚氨酯隔热胶材料的邵氏D硬度从80～70逐渐降低。在所配制的4个不同的聚醚多元醇组合料制备的隔热型材的硬度均大于GB/T 23615.2-2017中II型产品的要求。

图2 聚醚组合物对隔热胶固后硬度的影响

2.1.2 拉伸性能

不同聚醚多元醇组合料配方对隔热胶固化后抗拉性能的影响，实验结果如表1所示。从配方a～d中，聚氨酯隔热胶抗拉强度由42 MPa到24 MPa逐渐降低，断裂伸长率由33%～69%却逐渐增加。这主要是由于因为在所有聚醚多元醇配方中，配方a的聚醚多元醇组合料中的柔性链最短，扩链的聚氨酯的硬段的密度最大，硬段微品尺寸也最大，微相分离程度高，使其力学性能提高，但材料的断裂伸长率则最低。这与我们前期研究结果的拉伸性能是一致[6]。由聚醚多元醇组合料a、b制备的隔热胶的拉伸性能均大于GB/T 23615.2-2017中对I型和II型产品的相关要求。

表1 不同聚醚多元醇组合料配方对隔热胶拉伸性能的影响

2.2 聚醚多元醇组合料对隔热型材高温力学性能影响

聚氨酯分子结构中，异氰酸酯的结构，聚醚的结构分子量，以及聚氨酯聚合物结果的规整度等均会对聚氨酯固化物的力学性能产生重要的影响[7-8]。聚氨酯隔热型材的横向抗拉强度和纵向抗剪强度是聚氨酯隔热胶被破坏时最大强度，其值越高，则表示隔热胶形成的胶体性能越好[9]。表2中，不同聚醚多元醇制备的隔热型材的高温横向抗拉强度为46～79 N/mm，高温纵向抗剪强度为38～59 N/mm。从测试的数据结果来看，测试结果都远远高于国家标准GB/T 5237.6-2017的要求。且同一个配方聚醚多元醇组合料制备的隔热型材的高温横向抗拉强度高于纵向抗剪强度。不同配方聚醚多元醇组合料从配方a到配方d中，不同聚醚多元醇组合料制备的隔热型材中软链段的比例增加，硬链段的比例相对减少，导致隔热型材中无论是横向抗拉强度还是纵向抗拉强度均降低。这主要是由于不同聚醚多元醇组合料中硬段分子排列更加整齐，微相分离程度提高，高温下的力学性能更高[6,9]。

表2 不同聚醚多元醇组合料对隔热型材高温力学性能的影响

3 结 论

通过自主配制的聚醚多元醇组合料制备墙断桥铝型材专用的高温性能更高的聚氨酯隔热胶及其性能研究显示：随着聚氨酯隔热胶中配方a～配方d的软链段含量的增加，聚氨酯隔热胶型材的邵氏D硬度从80～70逐渐降低；抗拉强度由42 MPa到24 MPa逐渐降低，断裂伸长率由33%～69%逐渐增加；隔热型材的高温横向抗拉强度为46～79 N/mm，高温纵向抗剪强度为38～59 N/mm。所测试的力学性能均远远高于国家标准GB/T 5237.6-2017的要求，远远高于GB/T 23615.2-2017中Ⅱ级隔热胶的要求，完全可以满足市场对高性能聚氨酯隔热胶的需求。