黨海春,劉占洲,雷春興,許召贊,李振中
(1太原工業(yè)學(xué)院材料工程系,山西太原030008;2山西大學(xué)資源與環(huán)境工程研究所,山西太原030006)
熱塑性聚氨酯彈性體是指在大分子主鏈上含有氨基甲酸酯官能團(—NH—CO—O—)的一類聚合物,其硬度、力學(xué)性能和流變性能等可通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計進行調(diào)控[1-4]。聚氨酯彈性體具有優(yōu)異的彈性和耐磨性能,硬度范圍寬,減振效果好[5-6]。
然而,線型熱塑性聚氨酯(polyurethane,PU)的分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其存在強度、硬度、耐溶劑性和耐熱性等方面的不足[7-8],其性能可通過合理的分子結(jié)構(gòu)設(shè)計和化學(xué)改性加以改善[9-11]。與相同分子量的線形聚合物相比,支化聚合物具有獨特的空間結(jié)構(gòu)、較高的官能團密度、較小的流體動力學(xué)體積以及較低的擴散系數(shù)、黏度和結(jié)晶度,具有重要的理論研究價值和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景[12-16]。適量的支鏈可提高聚氨酯的剪切黏度[17]。支化聚合物是通過單官能度聚合物與多官能度分子鏈發(fā)生化學(xué)反應(yīng)或以多官能度分子為支化單體,由引發(fā)劑引發(fā)單體聚合[18]。支化聚氨酯(branched polyurethane,BPU)的支鏈結(jié)構(gòu)可控,材料表面的活性基團可與羧基、氨基和羥基等發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進行功能化改性。因此,支化聚氨酯的分子結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控成為研究熱點[19-22]。張彬[23]將多羥基聚乙二醇衍生物與聚乙二醇、1,4-丁二醇和甲苯二異氰酸酯反應(yīng),一步法合成支化聚氨酯。但其力學(xué)性能較差,拉伸強度僅為12.63MPa。Yang等[21]分別采用丙三醇、季戊四醇和雙季戊四醇引發(fā)己內(nèi)酯開環(huán)聚合,合成支化聚己內(nèi)酯,進而以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑,將其與二苯基甲烷二異氰酸酯和二元醇進行預(yù)聚和擴鏈反應(yīng),合成了具有三重響應(yīng)性的形狀記憶支化聚氨酯材料。張美杰等[24]以六亞甲基二異氰酸酯和二乙醇胺為原料,采用逐步升溫法和單體逐步加入法成功合成超支化聚氨酯。然而,目前所合成支化聚氨酯材料強度低,且合成工藝均較復(fù)雜,需使用大量有機溶劑,對環(huán)境及工作人員具有潛在危害,不利于降低成本和規(guī)?;a(chǎn),限制了支化聚氨酯彈性體材料的工業(yè)化應(yīng)用[25]。
因此,簡化合成工藝、降低成本是實現(xiàn)支化聚氨酯彈性體規(guī)模化生產(chǎn)所面臨的重要難題。本文以不同種類的三元醇(丙三醇和PPG-3)作為支化單體,以聚己二酸二乙二醇酯(PDGA)、4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯和1,4-丁二醇為原料,在無溶劑條件下分別合成支化聚氨酯彈性體和交聯(lián)型聚氨酯彈性體,對比其與線型聚氨酯彈性體的性能差異。首先以聚己二酸二乙二醇酯、4,4’-二苯基甲烷二異氰酸酯和三元醇合成異氰酸酯基團封端的支化預(yù)聚物和PDGA基聚氨酯分子鏈,然后利用擴鏈劑(1,4-丁二醇)將支化預(yù)聚物和PDGA基聚氨酯分子鏈連接,可控制備支化聚氨酯彈性體,研究三元醇對聚氨酯彈性體性能的影響規(guī)律。
聚己二酸二乙二醇酯二醇(PDGA,Mn=2000g/mol),工業(yè)級,北京恒業(yè)中遠化工有限公司。二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI),工業(yè)級,煙臺萬華聚氨酯股份有限公司。1,4-丁二醇(BDO),分析純,天津市光復(fù)精細化工研究所。聚氧化丙烯三醇(PPG-3,Mn=300g/mol),工業(yè)級,山東藍星東大化工有限責(zé)任公司。丙三醇,分析純,天津市致遠化學(xué)試劑有限公司。
將PDGA、BDO、PPG-3和丙三醇分別在110℃減壓脫水2h,MDI于60℃加熱至熔融。將PDGA和PPG-3(或丙三醇)按一定質(zhì)量比加入三口燒瓶,60℃加熱并攪拌均勻,加入MDI(配方詳情見表1)。75℃反應(yīng)2h得到預(yù)聚物。稱取一定量預(yù)聚物(已加熱至80℃),加入擴鏈劑BDO。勻速攪拌,得到無色透明的黏稠聚合物,倒入經(jīng)120℃預(yù)熱的模具,采用平板硫化機在120℃、10MPa下硫化40min。所得彈性體分別在100℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中放置20h、室溫下放置7d,然后進行結(jié)構(gòu)表征和性能測試。通過調(diào)控PPG-3摩爾分數(shù)(相對于PDGA-2000)分別為1%、3%和5%,PDGA和支化單體羥基/MDI異氰酸基/BDO羥基的物質(zhì)的量比=1∶3∶2)。PDGA基聚氨酯彈性體的合成過程如圖1所示。
圖1 PDGA基聚氨酯彈性體合成路線
分別以四氫呋喃和N,N-二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑,測定聚氨酯彈性體的溶脹率和凝膠含量。將0.1g樣品在10mL四氫呋喃或DMF中浸泡24h,分別稱量溶脹后樣品質(zhì)量(m1)和干燥后樣品質(zhì)量(m2)。按照式(1)~式(3)計算其凝膠含量(G)、溶脹率(S)和平衡溶脹指數(shù)(Q)。
式中,m0為初始樣品的質(zhì)量(0.1g);Q為平衡溶脹指數(shù);1/Q為交聯(lián)密度[26]。
采用Bucker AVANCEⅢ型核磁共振儀(NMR)表征聚氨酯結(jié)構(gòu);采用馬爾文公司Viscotek GPC max型凝膠滲透色譜儀測試聚合物的分子量和分子量分布,校準曲線以單分散聚苯乙烯為標準溶液,以DMF為洗脫劑。采用Bruker TENSOR27紅外光譜儀(FTIR)衰減全反射模式對聚合物進行紅外表征。采用萬能試驗機(GOTECHAI7000M,東莞高鐵檢測儀器有限公司)測試彈性體的拉伸強度和斷裂伸長率(GB/T 528—2009),拉伸速率為500mm/min,撕裂強度按GB/T 528—2009進行測試。用邵氏A硬度計(GS701N,東莞高鐵檢測儀器有限公司)按GB/T 531.1—2008測試彈性體的邵氏硬度。采用HDT/V-2203型維卡軟化點測試儀(金建檢測儀器有限公司),按GB/T 1633—2000測試樣品的維卡軟化點溫度,試樣規(guī)格為10m×10m×4m,升溫速率為50℃/h,載荷10N。采用TA Q20型差示掃描量熱儀測試樣品非等溫結(jié)晶過程,快速降溫至-80℃,以10℃/min的速率升溫至250℃。采用DMA Q800(拉伸模式)測試樣品的熱機械性能,振幅為10.0μm,靜態(tài)力0.010N,頻率為1Hz,溫度范圍為-60~190℃,升溫速率為3℃/min。采用英國Malvern公司生產(chǎn)的旋轉(zhuǎn)流變儀(BohlinCVO100)測試其流變性能,測量模式Oscillation,平行板直徑25mm,平行板間距1mm,1%剪切應(yīng)變,頻率1Hz,溫度為200℃。
通過紅外光譜圖(見圖2)表征聚氨酯彈性體結(jié)構(gòu)。所合成聚氨酯的紅外譜圖在2260cm-1處均無吸收峰,表明聚氨酯中無殘留的異氰酸酯基團(—NCO),異氰酸酯單體MDI已全部參與聚合反應(yīng)[21]。3329cm-1為氨基N—H伸縮振動吸收峰,2960cm-1和2868cm-1分別為甲基(—CH3)和亞甲基(—CH2—)C—H伸縮振動吸收峰,1598cm-1和813cm-1分別為苯環(huán)的骨架振動和C—H振動吸收峰[27]。1703cm-1和1730cm-1分別為氫鍵化的氨酯羰基峰和游離的氨酯羰基峰[6,28]。因PDGA中不含可作為質(zhì)子受體的氧原子,氫鍵主要存在于硬段區(qū),氫鍵化氨酯羰基伸縮振動峰位移為1703cm-1。因此,在PDGA基聚氨酯中存在游離的氨酯羰基峰和硬段區(qū)氫鍵化的氨酯羰基峰。在1220~1074cm-1區(qū)間內(nèi)存在不同種類的醚鍵(C—O—C),1528cm-1和1310cm-1分別為N—H的變形振動和C—N伸縮振動吸收峰。以上分析表明聚氨酯的成功合成[29]。
圖2 PDGA基聚氨酯彈性體紅外光譜圖
通過PU和BPU的核磁譜(1H NMR)圖(圖3)進一步驗證其結(jié)構(gòu)。7.34和7.08為苯環(huán)質(zhì)子的化學(xué)位移,9.51和9.62分別為MDI與BDO和PDGA相連的氨基甲酸酯結(jié)構(gòu)中N—H的化學(xué)位移。PDGA結(jié)構(gòu)中H-1,2,3,4化學(xué)位移分別為1.53、2.31、3.59和4.10,BDO結(jié)構(gòu)中H-5,6的化學(xué)位移分別為1.69和3.60。在支化聚氨酯(BPU3和BPU5)中,丙三醇或PPG-3單體含量較低,其構(gòu)成的分子鏈段中質(zhì)子信號較弱或與線型PU質(zhì)子峰重疊。因此,支化聚氨酯與線型聚氨酯核磁譜圖無顯著差異。
圖3 PDGA基聚氨酯彈性體1H NMR圖
將聚氨酯彈性體分別采用四氫呋喃和DMF為溶劑進行溶解實驗。PU和BPU均能夠在四氫呋喃或DMF中完全溶解,當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為5%時所得聚氨酯只溶脹而未溶解(如圖4所示),表明5%丙三醇引發(fā)聚氨酯中交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成,得到交聯(lián)型聚氨酯(crosslinked polyurethane,CPU)。CPU在四氫呋喃和DMF中的凝膠質(zhì)量分數(shù)為100%,在四氫呋喃中溶脹率為221%,DMF中溶脹率為298%。而相同質(zhì)量分數(shù)(5%)的PPG-3未引發(fā)交聯(lián),是因為PPG-3中較大的空間位阻阻礙了交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成[30]。
圖4 PDGA基聚氨酯彈性體在DMF中溶解圖片
通過凝膠色譜(GPC)數(shù)據(jù)分析PPG-3和丙三醇添加量對聚氨酯分子量和分子量分布(數(shù)據(jù)見表1)的影響。BPU1與線型PU分子量接近;BPU2的數(shù)均分子量和重均分子量分別為線型PU數(shù)均分子量和重均分子量的1.28倍和1.34倍,其分子量分布較寬;與BPU2相比,BPU3的數(shù)均分子量略有降低而重均分子量提高,分子量分布指數(shù)增加。因為支化反應(yīng)活性中心(PPG-3)的增加一方面導(dǎo)致數(shù)均分子量的降低,另一方面導(dǎo)致部分較長的聚氨酯分子具有更高的重均分子量[31]。與PU相比,以丙三醇為支化單體所制備支化聚氨酯具有更高的數(shù)均分子量和重均分子量。
表1 PDGA基聚氨酯彈性體GPC數(shù)據(jù)
維卡軟化點溫度是材料受熱時尺寸穩(wěn)定性的重要參數(shù)[32]。圖5為PDGA基聚氨酯彈性體的維卡軟化點溫度。由圖可知,維卡軟化點溫度隨PPG-3質(zhì)量分數(shù)的增加而升高;當(dāng)PPG-3質(zhì)量分數(shù)為3%時,維卡軟化點溫度最高(95.1℃),其耐熱性最好。但當(dāng)PPG-3質(zhì)量分數(shù)為5%時,數(shù)均分子量的降低及分子量分布變寬導(dǎo)致維卡軟化點溫度的降低。聚氨酯的維卡軟化點溫度隨丙三醇質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸升高。當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為1%和3%時,所得支化聚氨酯的維卡軟化點溫度分別為67.4℃和70℃,維卡軟化點溫度的提高幅度較??;而當(dāng)丙三醇含量增至5%,維卡軟化點溫度提高至150.6℃,因為丙三醇引發(fā)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。
圖5 PDGA基聚氨酯彈性體的維卡軟化點溫度
PDGA基聚氨酯彈性體的熱性能數(shù)據(jù)如圖6和表2所示。所制備聚氨酯彈性體差示掃描量熱(DSC)曲線均存在-30℃處的軟段玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg,s)和-60℃處的硬段玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg,h),表明PDGA基聚氨酯彈性體存在微相分離結(jié)構(gòu)。PPG-3的加入導(dǎo)致聚氨酯彈性體Tg,s提高而Tg,h降低,因為支化結(jié)構(gòu)增加了分子間的纏繞,阻礙了鏈段的運動[21]。較低的丙三醇質(zhì)量分數(shù)(1%和3%)對支化聚氨酯熱性能影響規(guī)律與之類似,但當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為5%時,形成交聯(lián)型聚氨酯彈性體,軟段玻璃化轉(zhuǎn)變溫度明顯提高(-24.6℃),因為交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成阻礙了鏈段的運動[33]。硬段無明顯的玻璃化轉(zhuǎn)變現(xiàn)象,表明丙三醇發(fā)揮相容劑的作用,而交聯(lián)結(jié)構(gòu)抑制軟段區(qū)和硬段區(qū)微相分離,導(dǎo)致交聯(lián)型聚氨酯與線型和支化聚氨酯彈性體熱性能和力學(xué)性能的顯著差異。
圖6 PDGA基聚氨酯彈性體的DSC曲線
表2 PDGA基聚氨酯彈性體的DSC數(shù)據(jù)
由聚氨酯彈性體力學(xué)性能(見表3)分析可知,線型PU拉伸強度和撕裂強度分別為12.5MPa、66.5MPa。隨著PPG-3質(zhì)量分數(shù)的增加,支化聚氨酯彈性體拉伸強度和撕裂強度顯著增加。BPU2拉伸強度和撕裂強度分別為33.9MPa和90.7MPa,提高幅度分別為170%和36%。支化結(jié)構(gòu)作為物理交聯(lián)點賦予聚氨酯彈性體更好的強度;PPG-3發(fā)揮相容劑的作用,提高了軟硬段相容性,微相分離程度降低,拉伸強度和撕裂強度顯著提高。當(dāng)PPG-3質(zhì)量分數(shù)增至5%時,支化活性中心的增加使分子量分布變寬,分子量降低,導(dǎo)致拉伸強度和撕裂強度降低。隨PPG-3質(zhì)量分數(shù)增加,支化程度增加,分子鏈運動受阻,導(dǎo)致拉斷伸長率逐漸降低。聚氨酯彈性體的力學(xué)性能隨丙三醇質(zhì)量分數(shù)的增加而逐漸提高。質(zhì)量分數(shù)為1%和3%的丙三醇提高了聚氨酯彈性體的拉伸強度和撕裂強度,當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為5%時,形成交聯(lián)型聚氨酯彈性體,拉伸強度達31.8MPa,提升幅度為154%;撕裂強度達84.4MPa,提升幅度為26%,斷裂伸長率顯著降低。交聯(lián)型聚氨酯中的化學(xué)交聯(lián)通過增強分子鏈間相互作用提高聚氨酯的拉伸強度,然而,交聯(lián)結(jié)構(gòu)促進軟硬段的混合,降低硬段微相的增強作用,又具有導(dǎo)致彈性體拉伸強度降低的作用[34]。因此,CPU的拉伸強度略低于BPU2的拉伸強度。PPG-3和丙三醇對聚氨酯邵A硬度影響較小。
圖7是采用動態(tài)熱機械分析考察了PPG-3和丙三醇對聚氨酯彈性體儲存模量和損耗角的影響。與線型PU相比,添加PPG-3的聚氨酯彈性體在70~100℃溫度區(qū)間具有較高的儲能模量,橡膠平臺的長度增加[圖7(a)],表明支化聚氨酯具有較高耐熱性,這與支化結(jié)構(gòu)的形成和分子量的增大有關(guān)[35]。較低含量丙三醇對聚氨酯彈性體的儲能模量影響不大,當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為5%時,聚氨酯彈性體在70~100℃溫度區(qū)間具有較高的儲能模量,且橡膠平臺的長度增加,因為交聯(lián)導(dǎo)致聚氨酯彈性體耐熱性的提高[圖7(c)]。由圖7(b)可知,PDGA基聚氨酯彈性體玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg均為-10℃,PPG-3的加入對聚氨酯的Tg影響不大。由圖7(d)可知,由丙三醇制備支化聚氨酯的損耗角正切值均略高于線型PU。當(dāng)丙三醇含量為5%時,其損耗角最低、Tg最高(-6℃),表明丙三醇的加入使分子鏈的規(guī)整度和柔順性降低,其內(nèi)部的阻尼性上升,損耗因子隨之提高[36]。
圖7 PDGA基聚氨酯彈性體的儲能模量和損耗角
線型、支化和交聯(lián)型聚氨酯彈性體的彈性模量(G′)和復(fù)數(shù)黏度(η*)如圖8所示。BPU的G′和η*均大于線型PU,因為支化結(jié)構(gòu)抑制分子鏈段的運動,分子鏈松弛變得困難。當(dāng)PPG-3添加量質(zhì)量分數(shù)為3%時,對分子鏈運動的抑制作用最顯著[37],因此BPU2的G′和η*最高[圖8(a)、(b)]。因BPU3的分子量降低,其G′和η*有所降低。當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為1%時,彈性模量和復(fù)合模量均略有下降[圖8(c)、(d)],少量丙三醇發(fā)揮相容劑的作用,促進分子鏈的運動;當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為3%時,支化結(jié)構(gòu)抑制聚氨酯分子鏈的運動;而當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)達到5%時,形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),復(fù)數(shù)黏度顯著提高。
圖8 PDGA基聚氨酯彈性體的彈性模量和復(fù)數(shù)黏度
由線型PU的η*隨剪切頻率的變化曲線[圖8(b)]可知,在低頻區(qū)域出現(xiàn)牛頓平臺區(qū),η*并未隨剪切頻率的增加而發(fā)生明顯變化;隨著頻率繼續(xù)增加,η*逐漸降低,呈現(xiàn)“剪切變稀”行為。在支化聚氨酯體系中,隨支化程度增加,非牛頓流動行為更顯著,即牛頓平臺變窄,剪切變稀現(xiàn)象更顯著[圖8(b)、(d)]。因為支化結(jié)構(gòu)具有促進鏈纏結(jié)的作用,隨著支化程度提高,體系中物理交聯(lián)點數(shù)量增加,有利于形成更多的鏈纏結(jié),而鏈纏結(jié)形成的擬網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對剪切作用更加敏感,在剪切作用下表現(xiàn)出更明顯的非牛頓流動行為[38]。而對于交聯(lián)型聚氨酯,交聯(lián)結(jié)構(gòu)提高了聚氨酯材料的η*,導(dǎo)致非牛頓流動行為更顯著[圖8(d)]。因為交聯(lián)結(jié)構(gòu)顯著抑制了鏈段運動,η*增大,但同時增大了分子鏈的纏結(jié)密度,解纏結(jié)速率在較低剪切頻率超過纏結(jié)速率,剪切變稀現(xiàn)象更明顯,導(dǎo)致牛頓平臺變窄。
本文以PDGA、MDI和BDO為原料,以三官能度的PPG-3或丙三醇為支化或交聯(lián)改性劑,分別合成線型、支化和交聯(lián)型聚氨酯彈性體,研究了支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)對聚氨酯彈性體性能的影響。
(1)采用FTIR、1H NMR和GPC表征線型和支化聚氨酯彈性體的分子結(jié)構(gòu)和分子量,支化聚氨酯比線型聚氨酯的分子量高,CPU不能溶于DMF,驗證了交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成。支化結(jié)構(gòu)發(fā)揮物理交聯(lián)點作用,有效提高聚氨酯彈性體力學(xué)性能。與線型PU相比,當(dāng)PPG-3質(zhì)量分數(shù)為3%時所制備支化聚氨酯的拉伸強度提高170%,撕裂強度提高36%。當(dāng)丙三醇質(zhì)量分數(shù)為5%時,化學(xué)交聯(lián)結(jié)構(gòu)的形成賦予其優(yōu)異的力學(xué)性能,拉伸強度提高154%,撕裂強度提高26%。此外,PPG-3和丙三醇作為聚氨酯軟段和硬段的相容劑,軟段和硬段相容性的提高也有利于力學(xué)性能的提高。
(2)支化和交聯(lián)結(jié)構(gòu)可顯著提高聚氨酯彈性體耐熱性。PPG-3質(zhì)量分數(shù)為3%時所得支化聚氨酯的維卡軟化點溫度提高至95.1℃,丙三醇為5%時維卡軟化點溫度為150.6℃。PPG-3與丙三醇均可使聚氨酯彈性體的橡膠平臺增大。PPG-3和丙三醇發(fā)揮相容劑的作用,抑制微相分離,導(dǎo)致軟段區(qū)和硬段區(qū)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度差異減小。
(3)所合成支化和交聯(lián)型聚氨酯彈性體的彈性模量和復(fù)數(shù)黏度大于線型PU。線型聚氨酯彈性體表現(xiàn)為接近牛頓流體行為,支化聚氨酯彈性體表現(xiàn)為非牛頓流體行為,交聯(lián)型聚氨酯彈性體表現(xiàn)為強烈的非牛頓流體行為。
綜上,在聚氨酯合成體系中加入少量三元醇作為支化單體,可制備支化聚氨酯或交聯(lián)性聚氨酯,提高聚氨酯彈性體的分子量、力學(xué)性能和耐熱性等性能。
符號說明
G——凝膠含量,%
G′——彈性模量,MPa
HS——硬段含量,%
ΔHm——熔融焓,J/g
Mn——數(shù)均分子量
Mw——重均分子量
m0,m1,m2——分別為溶脹實驗樣品的初始質(zhì)量、溶脹后質(zhì)量、干燥后質(zhì)量,g
Q——平衡溶脹指數(shù)(溶脹樣品干燥后的質(zhì)量與溶脹后質(zhì)量的比值)
S——溶脹率,%
Tg,h——硬段玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,℃
Tg,s——軟段玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,℃
Tm——熔點溫度,℃
η*—— 復(fù)數(shù)黏度,Pa·s
[η]—— 特性黏度