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        多元異氰酸酯基預(yù)聚體的制備及性能研究*

        2015-11-28 10:39:02劉克碩葉海木楊禮德
        合成材料老化與應(yīng)用 2015年4期
        關(guān)鍵詞:異氰酸酯摩爾聚氨酯

        劉克碩,葉海木,楊禮德,周 瓊

        ( 中國石油大學(xué),北京102249)

        聚氨酯預(yù)聚體(PPU)是由多異氰酸酯和多元醇按一定比例反應(yīng)制得的可反應(yīng)性半成品,在膠粘劑、涂料和彈性體[1-3]等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。異氰酸酯的結(jié)構(gòu)決定了聚氨酯材料的鏈間相互作用不同及相結(jié)構(gòu),使得不同類型異氰酸酯所制備的聚氨酯材料性能差異較大。實際使用中,會使用多種異氰酸酯以獲得較好的綜合性能[4-5]。因此,本文選用兩種異氰酸酯并用合成PPU,探討了異氰酸酯并用、反應(yīng)溫度、異氰酸根與羥基摩爾比等因素對PPU 合成的影響,并對其反應(yīng)動力學(xué)進行計算。

        1 實驗

        1.1 主要試劑

        2,4′ -二苯基甲烷二異氰酸酯與4,4′ -二苯基甲烷二異氰酸酯混合物(MDI -50)和多亞甲基多苯基異氰酸酯(PM-200),工業(yè)級,萬華化學(xué)集團有限公司;端羥基聚丁二烯(HTPB),工業(yè)級,淄博齊龍化工有限公司;炭黑N550,北京天奈科技有限公司;其余化學(xué)試劑購自北京北化精細化學(xué)品有限責(zé)任公司。

        1.2 PPU 的制備及反應(yīng)程度測定

        將一定量的異氰酸酯和HTPB(經(jīng)真空干燥后)加入反應(yīng)釜中,通氮氣保護,在一定溫度下攪拌反應(yīng)。異氰酸酯中MDI-50 與PM -200 的質(zhì)量比M選為1 ∶0、1 ∶1 和0 ∶1;總異氰酸根(-NCO)與HTPB中羥基(-OH)的摩爾比R 取2.4 ∶1、3.0 ∶1 和3.6 ∶1。在不同的反應(yīng)時間,從反應(yīng)體系中取出少量樣品,采用滴定法測定反應(yīng)進行程度。以二正丁胺- 甲苯滴定法測定體系中游離的-NCO含量[6]。

        1.3 機械性能測試

        利用WDTII -20 萬能拉伸機對聚氨酯樣條進行拉伸測試。拉伸間距為30mm,拉伸速率為50mm/min。

        1.4 黏度測試

        采用西班牙Fungilab-Premium 旋轉(zhuǎn)黏度計測試黏度,L2 型轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)速0.2r/min。實驗時將轉(zhuǎn)子完全浸沒入測試液,隨時間變化記錄實驗數(shù)據(jù)。

        1.5 紅外光譜測試

        將樣品均勻涂抹于KBr 鹽片上,采用德國Bruker 公司的TENSOR Ⅱ型傅立葉紅外變換光譜儀,測試4000cm-1~400cm-1范圍內(nèi)的吸收光譜,信號為32 次掃描平均值。

        1.6 凝膠率測試

        將待測樣品在80℃下烘干并稱重,加入四氫呋喃,在室溫下密封溶解2 天,經(jīng)抽濾、洗滌、干燥后稱重,計算PPU 所含凝膠率[7]:

        其中,m0為抽濾前PPU 質(zhì)量,m1為濾紙質(zhì)量,m2為抽濾后干燥濾紙與未溶物的總質(zhì)量。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 異氰酸酯并用對PPU 聚合速率及聚氨酯性能的影響

        選擇R 值為3.0 ∶1,在70℃測量不同異氰酸酯制備PPU 反應(yīng)程度與時間的關(guān)系曲線,如圖1 所示。在反應(yīng)初期,PM-200 的反應(yīng)活性很高,很短時間即可達到高反應(yīng)程度,容易引發(fā)爆聚而產(chǎn)生凝膠;MDI -50 反應(yīng)活性偏低,預(yù)聚完成時間偏長,制備效率低;而采用二者等質(zhì)量并用,可有效降低反應(yīng)初期的速率,避免爆聚,同時又可在較短時間內(nèi)完成預(yù)聚,保障了預(yù)聚體制備的質(zhì)量與效率。

        圖1 不同異氰酸酯制備PPU 反應(yīng)程度與時間的關(guān)系(以體系中的-NCO 的轉(zhuǎn)化率表征)Fig.1 The dependence of reaction degree on time for PPU specimens prepared from different isocyanate based on the conversion of -NCO

        利用炭黑N550 作為補強材料進一步制備了三種PPU 對應(yīng)的聚氨酯材料,進行機械性能測試,結(jié)果如表1 所示。當(dāng)M 為1 ∶1 時,對應(yīng)聚氨酯的彈性模量和斷裂伸長率分別介于單一異氰酸酯PPU 制備的聚氨酯之間,綜合性能較好;且其拉伸強度在三者中最高,兩種異氰酸酯表現(xiàn)出協(xié)同作用。因此兩種異氰酸酯并用不僅有助于PPU 的合成工藝,而且可以獲得優(yōu)良的機械性能。

        表1 三種異氰酸酯PPU 制備的聚氨酯性能對比Table 1 Comparison among three polyurethanes prepared from the corresponding PPU

        2.2 -NCO ∶-OH 摩爾比R 對PPU 反應(yīng)過程及性能的影響

        圖2 是M 為1 ∶1 在70℃條件下,不同-NCO ∶-OH摩爾比對-NCO 反應(yīng)程度隨時間變化曲線??梢钥闯?,反應(yīng)過程分為三個階段:(1)反應(yīng)初期(0 ~1h),反應(yīng)程度迅速增加,是因為此時-OH 值和游離的-NCO 較多,體系反應(yīng)活性高。R 越小,表觀轉(zhuǎn)化速率越快,是源于其低的初始-NCO 量。(2)反應(yīng)中期(1h ~3h),反應(yīng)速率明顯下降,是由于反應(yīng)初期多元醇消耗較快所致。(3)反應(yīng)后期(3h ~5h),多元醇基本消耗完,-NCO 轉(zhuǎn)化率趨于穩(wěn)定。從整個反應(yīng)歷程來看,R 值越大,達到平衡所需的反應(yīng)時間越長。這是由于異氰酸酯量的稀釋效應(yīng)及所獲得PPU 的分子量小,有利于體系生成熱的擴散,避免爆聚發(fā)生,降低了反應(yīng)速率。從表2 中可以看出,當(dāng)R 值為2.4 ∶1 和3.0 ∶1 時,剛制備的PPU 即有一定凝膠出現(xiàn),且R 增大凝膠量下降;當(dāng)R 值為3.6 ∶1,凝膠率為0。隨著儲存時間延長,體系的凝膠率增加,這是由于體系在達到理論的反應(yīng)程度后,游離的-NCO 會發(fā)生奪取氨基甲酸酯的活潑氫,形成脲基甲酸酯化合物[8]。

        圖2 不同-NCO ∶-OH 摩爾比合成PPU 過程中-NCO轉(zhuǎn)化率隨時間變化曲線Fig.2 The conversion curves of -NCO during the synthesis process of PPU with different initial-NCO ∶-OH molar ratios

        表2 不同-NCO ∶-OH 摩爾比制備的PPU 經(jīng)室溫保存后不同時間后的凝膠含量Table 2 The gel content of PPU prepared with different-NCO ∶-OH molar ratios after being stored at room temperature for different time lengths

        黏度是反映PPU 性能的重要指標(biāo),也是反應(yīng)程度的宏觀體現(xiàn)。由圖3 可知,隨著反應(yīng)進行,體系黏度逐漸增加;且隨著R 值的增大,體系的黏度減小。這是因為:(1)過量的異氰酸酯在體系中起到了稀釋劑的作用,降低了體系黏度;(2)異氰酸酯越過量,越有利于體系中形成小分子量的PPU,使得體系表現(xiàn)出低的黏度。

        圖3 不同-NCO ∶-OH 摩爾比合成PPU 過程中黏度隨時間的變化曲線Fig.3 Dependence of system viscosity on time during synthesis process of PPU with different initial -NCO ∶-OH molar ratios

        2.3 溫度對PPU 合成的影響

        2.3.1 紅外光譜分析

        圖4(a)為混合異氰酸酯、HTPB 和PPU(M =1 ∶1,R=3.0 ∶1,70℃)的FTIR 譜圖。異氰酸酯中,2273cm-1處的強峰是-NCO 基團的吸收峰,1610cm-1附近的峰屬于苯環(huán)骨架振動峰;對于HTPB,3582cm-1為-OH 的吸收峰,3074cm-1屬于C=C-H 上的C-H 振動,1639cm-1屬于丁二烯單元中C=C伸縮振動。制備成PPU 后,HTPB 在3582cm-1的-OH 吸收峰消失,說明聚合反應(yīng)比較徹底;在1212cm-1處出現(xiàn)C =C-O-C 的吸收峰,該結(jié)構(gòu)來源于端羥基丁二烯末端活潑氫被-NCO 基團上的N 原子奪取后結(jié)合形成的特征吸收峰;在1736cm-1處出現(xiàn)C=O 的伸縮振動,表明異氰酸酯跟羥基發(fā)生反應(yīng)生成了氨酯鍵,3404cm-1~3339cm-1附近的寬峰是氨基甲酸酯上N-H 鍵的伸縮振動;752cm-1~912cm-1附近范圍內(nèi)的吸收峰為多取代苯環(huán)上的弱峰,屬于C-H 面外彎曲振動,在反應(yīng)前后中均存在。在圖4(b)中,三個反應(yīng)溫度下制備的PPU 的紅外吸收特征峰基本一致,說明在不同溫度下均發(fā)生相同的反應(yīng),未發(fā)生明顯的副反應(yīng),PPU 產(chǎn)品均達到較高的反應(yīng)程度。

        圖4 (a)異氰酸酯、HTPB 和PPU 的紅外吸收譜圖;(b)不同溫度下制備PPU 的紅外吸收譜圖Fig.4 FTIR spectra of(a)isocynate,HTPB and PPU,and(b)PPU specimens prepared at different temperatures

        3.3.2 聚合反應(yīng)動力學(xué)

        圖5(a)是不同溫度下(M =1 ∶1,R =3.0 ∶1)-NCO 濃度隨反應(yīng)時間的變化曲線,隨著合成溫度的增加,-NCO 的濃度下降速率增快。異氰酸酯與醇類的反應(yīng)主要包括氨酯化和支化。在50℃~90℃的反應(yīng)溫度條件下,前者的反應(yīng)速率r 遠大于后者速率r′(r/r′ =50 ~100[9]),所以支化反應(yīng)可以忽略,其動力學(xué)反應(yīng)滿足[10-11]:

        其中,體系中常數(shù)A 為0.95mmol/g,k 為速率常數(shù)g/(mol·min)。由方程(1)積分轉(zhuǎn)化得:

        以Y 對時間t 作圖并線性擬合,如圖5(b)所示,斜率即為不同溫度下的速率常數(shù),列于表3 中。由Arrhenius 方程可得反應(yīng)活化能為34. 5kJ/mol。

        圖5 (a)不同溫度下合成PPU 過程-NCO 濃度隨時間的變化曲線;(b)Y 對時間t 的線性擬合Fig.5 (a)Variation of -NCO concentration with time during the PPU polymerization process at different temperatures,(b)the linear fit of Y versus t

        表3 不同溫度下的聚合反應(yīng)速率常數(shù)及反應(yīng)活化能Table 3 Reaction rate constant of polymerization at different temperature and the reaction activity energy

        3 結(jié)論

        (1)采用MDI -50 與PM -200 以等質(zhì)量比并用,可保障合成效率的前提下,有效降低初期PPU合成速率。且由此制備的聚氨酯的拉伸強度優(yōu)于單一異氰酸酯所制備聚氨酯。

        (2)初始-NCO ∶-OH 摩爾比越大,達到反應(yīng)平衡的時間越長,且體系黏度越小。

        (3)不同溫度下聚合均可獲得較高反應(yīng)程度,體系反應(yīng)速率隨溫度增加而增大,聚合反應(yīng)活化能為34.5kJ/mol。

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