喬歡歡
(綿陽職業(yè)技術學院 ,四川 綿陽 621000)
熱塑性彈性體以其獨特的兩相超分子結構特征成為一類綜合性能優(yōu)異的熱塑性材料,將其作為推進劑的粘合劑使用,可望獲得具有良好加工性能的新概念熱塑性推進劑。熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)是一種(AB)n型線型嵌段聚合物,由線型硬鏈段(二異氰酸酯和擴鏈劑)及線型軟鏈段(聚醚,聚酯或聚烴類等長鏈二醇)交替組成的具有優(yōu)良物理機械性能的多嵌段聚合物[1]。
熱塑性聚氨酯彈性體具有優(yōu)良的綜合性能,與金屬材料相比,熱塑性聚氨酯彈性體制品具有重量輕、噪音低、耐損耗、加工費用低及耐腐蝕等優(yōu)點;與塑料相比,聚氨酯彈性體具有不干脆、彈性記憶、耐磨等優(yōu)點。與橡膠相比,聚氨酯彈性體具有耐磨、耐切割、耐撕裂、高承載性、透明或半透明、可灌封、可澆注、硬度范圍廣等優(yōu)點。聚氨酯彈性體加工方法多,新技術新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),其應用前景十分廣闊[2-5]。
環(huán)氧乙烷—四氫呋喃無規(guī)共聚醚(代號P(E-Co-T),簡稱PET):數(shù)均相對分子量為4320,羥值為24.2 mgKOH/g;
異佛爾酮二異氰酸酯(簡稱IPDI):數(shù)均相對分子量為222.3,當量粒子2318.2,純度99%;1,4丁二醇:相對分子量90.12,純度99%;
催化劑: 二月桂酸二丁基錫,相對分子量631.55,化學純,純度>96.0%;
丙三醇:分析純,相對分子量92.09。
實驗所用儀器如下表所示:
實驗儀器 生產(chǎn)廠家D90-22型電動攪拌機 杭州儀表電器廠500ml四口燒瓶 成都榮盛試劑廠 訂做D型電動攪拌機調(diào)速器 杭州儀表電機有限公司溫度指示控制WMZK01 上海華辰醫(yī)用儀表有限公司萬用電爐DL-1 北京中興偉業(yè)儀器有限公司BS124S電子天平 上海力能電子有限公司SHZ-95型循環(huán)水式多用真空泵 河南鞏義市英峪予華儀器廠玻璃轉子流量計LZB-3WB 杭州勤豐流量儀器廠真空干燥箱DZF-6050型 上海精宏實驗設備有限公司404-1型紅外線干燥箱 上海市實驗儀器總廠
實驗儀器
采用不同的合成方法得到的彈性體的性能不同[6],由預聚法制得的彈性體性能最好,一步法最差。本實驗采用熔融二步法合成TPU,即將計量好的PET倒入備有攪拌器、溫度傳感器和氮氣管的四口燒瓶里,于1050C下真空脫水4小時,充氮氣保護并啟動真空泵在燒瓶內(nèi)抽真空,目的是除去水分,使水分子含量小于0.5%,以免逐漸加入IPDI時,IPDI與水發(fā)生反應,產(chǎn)生CO2,使產(chǎn)品產(chǎn)生氣泡,影響產(chǎn)品的性能。完成后按照比例加入干燥后的IPDI,攪拌下反應90分鐘,預聚溫度為900C,最后加入分子篩脫水后的1,4-丁二醇,并加入適量的催化劑完成反應,反應溫度為1100C。將所制得的聚氨酯熱塑性彈性體在真空干燥箱中干燥12個小時以上,溫度為1000C[7]。
聚環(huán)氧乙烷/四氫呋喃無規(guī)共聚醚為無色粘稠狀液體,在脫水過程中無變化,但如果密封不好,真空度不高便會成為白色液體,真空度變大,此現(xiàn)象便會消失。異氰酸酯為無色液體,兩者混合后,攪拌反應,粘度稍稍增大,顏色變?yōu)榈S色。加入擴鏈劑后,由于硬段含量的不同和催化劑的加入不同,實驗現(xiàn)象有所差別。
當硬段含量為42%時,加入擴鏈劑1,4-丁二醇后,粘度慢慢變大,此時混合物顏色逐漸變成白色,狀如牛奶,隨著反應的進行,粘度逐漸增加,當粘度達到最大時停止實驗,放入真空干燥箱內(nèi)繼續(xù)反應。當硬段含量為45%時,重復以上實驗操作,實驗現(xiàn)象唯一的差別是停止實驗時的TPU粘度變大,顏色變黃。
當硬段含量為45%時,預聚反應完畢后加入催化劑,再加入擴鏈劑(1,4-丁二醇),當擴鏈劑剛一加入混合物中,反應物全部粘在攪拌棒上,使攪拌棒轉不動,此時停止實驗。將反應物放入真空干燥箱固化12小時以上。在體系中加入催化劑,明顯反應時間縮短了,并且反應產(chǎn)物的粘度有所增加。
力學性能對材料的應用起到至關重要的作用,是一項重要的性能指標,因此對所合成的不同硬段含量的TPU采用拉伸實驗機進行測試。測試結果如表1所示:
表1 不同硬段含量的T PU的力學性能
從表中可以看出:隨著硬段含量的增加,TPU的拉伸強度不斷增加,斷裂伸長率則逐漸降低。這是由于硬段的填料增強效應和材料的組成變化引起的[8]。隨著硬段含量的增加,TPU表現(xiàn)為逐漸變硬,彈性隨之減小。從表中還可以看出TPU在硬段含量在46%時,綜合性能達到最佳,滿足推進劑使用要求的拉伸強度與延伸(拉伸強度大于3MPa,斷裂延伸率大于500%)。
5.1 熱塑性聚氨酯彈性體的合成,選用聚環(huán)氧乙烷—四氫呋喃無規(guī)共聚醚為軟段,異佛爾酮二異氰酸酯和擴鏈劑(1,4-丁二醇)為硬段,選用二月桂酸二丁基錫為催化劑。
5.2 合成工藝為:預聚溫度90℃,擴鏈反應溫度110℃,后熟化溫度100℃;同時確定預聚反應時間為90分鐘。
5.3 力學性能測試結果表明,隨著硬段含量的增加,TPU的拉伸強度不斷增加,斷裂伸長率逐漸降低。當硬段含量在46%時,TPU具有滿足推進使用要求的最優(yōu)力學性能。
[1] 山西省化工研究所.聚氨酯彈性體手冊[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.
[2] 李紹雄,劉益軍.聚氨酯樹脂及其應用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2002.
[3] 陳瑩.熱塑性聚氨酯/無機粒子功能復合材料的制備及性能研究[D].東華大學,2012.
[4] 羅振寰,黃自華,許雙喜等.聚氨酯材料在鐵道建筑上的應用與發(fā)展[J].鐵道建筑,2011,9:107-109.
[5] 趙鋼.聚氨酯彈性體的合成及性能研究[D].哈爾濱工程大學,2001.
[6] 潘慶華.熱塑性聚氨酯熱熔膠合成與性能研究[D].浙江大學,2005.
[7] 陳福泰,多英全,羅運軍,譚惠民.新型熱塑性聚氨酯彈性體粘合劑的合成與表征[J].導彈與航天運載技術.2001,3: 33-37.
[8] 楊序平,李忠明等.熱塑性聚氨酯彈性體粘合劑的制備及力學性能的研究[J].國外塑料.2009,27(3):41-44.