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        聚氨酯種類對(duì)機(jī)械性能以及阻尼性能影響研究

        2014-11-28 02:25:58
        合成材料老化與應(yīng)用 2014年4期
        關(guān)鍵詞:軟段硬段異氰酸酯

        王 麗

        (中國(guó)船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院,北京100094)

        聚氨酯彈性體是一類重要的高分子阻尼材料[1-5],由軟段相區(qū)和硬段相區(qū)組成。軟段和硬段的熱力學(xué)不相容導(dǎo)致的微相分離,以及軟、硬段結(jié)構(gòu)的可調(diào)節(jié)性,使其能夠在較寬溫度范圍內(nèi)具有較高的阻尼因子(tan δ)[6-8]。通過(guò)對(duì)軟段、異氰酸酯以及擴(kuò)鏈劑種類的調(diào)整能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)阻尼因子大小以及阻尼溫域的控制[9]。因此,本文比較了具有不同結(jié)構(gòu)特征的聚氨酯彈性體材料機(jī)械性能和阻尼性能,為高性能阻尼材料的制備提供依據(jù)。

        1 試驗(yàn)部分

        1.1 原材料

        聚四氫呋喃醚二醇(PTMEG,Mn =2000),韓國(guó)PTG;聚氧化丙烯二醇(PPG,Mn =2000),國(guó)都化工(昆山)有限公司;二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI-50、MDI-100),煙臺(tái)萬(wàn)華;1,4-丁二醇(BDO),天津樂(lè)泰化工有限公司;三羥甲基丙烷(TMP),天津樂(lè)泰化工有限公司。

        1.2 試樣制備

        按照一定配比將多元醇與異氰酸酯在固定溫度下混合均勻,然后在一定溫度下放置一段時(shí)間,使-OH 與-NCO 充分反應(yīng),待其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,加入擴(kuò)鏈劑迅速混合均勻,并在真空條件下盡量除去氣泡,最后澆注成型。具體組分見(jiàn)表1。

        表1 不同體系聚氨酯組分Table 1 The component different polyurethane systems

        1.3 性能測(cè)試

        機(jī)械性能測(cè)試:參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 528-2009 將樣品裁成標(biāo)準(zhǔn)啞鈴型試樣,使用計(jì)算機(jī)控制萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(WDL-5000N)在25℃以500mm/min 速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

        阻尼性能測(cè)試:使用動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)試儀(NETZSCH DMA 242)獲得損耗因子tan δ-溫度曲線,測(cè)試條件為雙懸臂梁模式,溫度范圍為-80℃~60℃,升溫速率3℃/min,頻率為10Hz,振幅為120μm。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 軟段結(jié)構(gòu)的影響

        使用MDI-50 和BDO 作為硬段材料,比較兩種聚醚型多元醇作為軟段的聚氨酯機(jī)械性能。從表2 可以看出,使用PPG 作為軟段的聚氨酯(體系2)機(jī)械性能較差,拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率以及彈性模量均低于使用PTMEG 作為軟段的材料。

        表2 不同軟段種類聚氨酯的機(jī)械性能Table 2 The mechanical properties of polyurethane with different soft segments

        比較兩個(gè)體系的損耗因子(tan δ)-溫度曲線(見(jiàn)圖1)可以看出,以PTMEG 為軟段的聚氨酯(體系1)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度要低于以PPG 為軟段的聚氨酯(體系2),這主要是因?yàn)镻PG 中的側(cè)甲基降低了分子的柔順性。體系2 的損耗因子明顯高于體系1,這歸因于PPG 的分子鏈上較PTMEG 多了側(cè)甲基,根據(jù)基團(tuán)貢獻(xiàn)理論,可以知道PPG 所制備的聚氨酯應(yīng)具有較高的損耗因子[10]。

        圖1 不同軟段種類聚氨酯tan δ-溫度曲線Fig.1 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different soft segments

        2.2 異氰酸酯結(jié)構(gòu)的影響

        表3 中結(jié)果表明,使用MDI-100LL 制備的聚氨酯(體系3)較使用MDI-50 的聚氨酯(體系2)拉伸強(qiáng)度以及彈性模量都要低,但是斷裂伸長(zhǎng)率高于后者。造成這種現(xiàn)象可能的原因是MDI-100LL 中含有少量的三官能團(tuán)分子,在一定程度上破壞了硬段的規(guī)整性,從而造成拉伸強(qiáng)度和彈性模量下降,斷裂伸長(zhǎng)率增大。

        表3 不同異氰酸酯種類聚氨酯的機(jī)械性能Table 3 The mechanical properties of polyurethane with different isocyanates

        圖2 結(jié)果表明:異氰酸酯MDI-100LL 中少量三官能團(tuán)分子使得體系中存在一定的交聯(lián)結(jié)構(gòu),使得鏈段運(yùn)動(dòng)相對(duì)困難,從而造成玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高。同時(shí)體系3 中硬段的規(guī)整性降低,分子堆砌較松散,使軟段更容易穿越硬質(zhì)區(qū),增加了在外力作用下軟段與硬段的相互作用,從而增大了損耗因子。同時(shí),也使得相間過(guò)渡區(qū)增加,阻尼峰得到拓寬[10],因此使用異氰酸酯MDI-100LL 有利于拓寬阻尼溫域。

        圖2 不同異氰酸酯種類聚氨酯tan δ-溫度曲線Fig.2 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different isocyanates

        2.3 擴(kuò)鏈劑結(jié)構(gòu)的影響

        比較軟段及異氰酸酯種類相同,擴(kuò)鏈劑分別為BDO 和TMP 的聚氨酯體系的機(jī)械性能。從表4 中可以看出,擴(kuò)鏈劑為T(mén)MP 的聚氨酯(體系4)拉伸強(qiáng)度與彈性模量均大于擴(kuò)鏈劑為BDO 的聚氨酯體系(體系2),但是斷裂伸長(zhǎng)率卻小于前者。這主要是因?yàn)門(mén)MP 為三元醇,所合成的聚氨酯經(jīng)過(guò)交聯(lián)固化,具有交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),大分子鏈在受到應(yīng)力作用時(shí),可以將應(yīng)力轉(zhuǎn)移到其他的分子鏈上,即便某一處發(fā)生斷裂,也不會(huì)迅速危及到整體,從而降低了斷裂的可能性,也就增加了拉伸強(qiáng)度;而且形成的交聯(lián)結(jié)構(gòu)使分子鏈的伸直受阻,從而斷裂伸長(zhǎng)率較低。

        表4 不同擴(kuò)鏈劑種類聚氨酯的機(jī)械性能Table 4 The mechanical properties of polyurethane with different chain extenders

        由圖3 可以看出以TMP 為擴(kuò)鏈劑的聚氨酯(體系4)具有很寬的阻尼峰。主要原因是由于TMP 是三元醇,所合成的聚氨酯分子結(jié)構(gòu)為經(jīng)過(guò)交聯(lián)固化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),破壞了硬段排列的規(guī)整性,只能松散的堆砌,從而使得軟段能輕易的穿越硬質(zhì)區(qū),增加了兩者的相容性,從而使得相間過(guò)渡區(qū)增加,阻尼峰得到拓寬[10]。

        圖3 不同擴(kuò)鏈劑種類聚氨酯tan δ-溫度曲線Fig.3 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different chain extenders

        3 結(jié)論

        (1)機(jī)械性能:軟段及硬段的分子規(guī)整程度下降使得聚氨酯材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量降低;以三元醇為擴(kuò)鏈劑的聚氨酯材料具有交聯(lián)結(jié)構(gòu),使得拉伸強(qiáng)度以及彈性模量增加,斷裂伸長(zhǎng)率降低。

        (2)阻尼性能:軟段中側(cè)甲基的存在有利于提高聚氨酯阻尼性能,同時(shí)使得玻璃化轉(zhuǎn)變溫度升高;由異氰酸酯MDI-100LL 所合成的聚氨酯中硬段排列較松散,使得損耗因子峰值升高,溫域增寬。以三元醇為擴(kuò)鏈劑的聚氨酯材料具有交聯(lián)結(jié)構(gòu),較線形的1,4-丁二醇合成的聚氨酯具有更寬的阻尼峰溫域。

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