发布时间 : 星期三 文章关于一种聚氨酯设计更新完毕开始阅读508534fbf705cc175527095d
简谈一种高力学性能聚氨酯弹性体的设计
摘要
本文来自笔者对所查各类资料的汇总，并在此基础上提出个人的观点以及创新之处。全文的思路是，围绕一种组成为HTPB/TDI/DMTDA聚氨酯弹性体，通过改变其配方组成来探究获得最佳力学性能，这里包含两点，一是扩链剂DMTDA用量对力学性能的影响，二是异氰酸酯指数的大小对其性能的影响。后来，笔者简单谈到聚氨酯弹性体设计时所用其他助剂的种类影响。最后，笔者针对此类设计提出了自己的一些想法。限于全文的篇幅，因而笔者仅讨论改善聚氨酯弹性体力学性能，所使用的配方也只讨论其用量的影响，而不强调其种类的改变。如有不足之处，期待指点。
关键词：聚氨酯弹性体 配方 力学性能
正文
一、 基本组成
本次设计所用聚氨酯基本原料为端羟基聚丁二烯（HTPB）和甲苯二异氰酸酯（TDI），扩链剂为3,5-二甲硫基-2,4-甲苯二胺和3,5-二甲硫基-2,6-甲苯二胺两种异构体的混合物（DMTDA）。
二、 试样制备
配方由HTPB、TDI、DMTDA及适量催化剂组成，采用一步法工艺，将各组分称量后混合，手工搅拌混合均匀，然后真空脱气。将配制好的料浆部分在常温常压状态下，浇注成2mm后的方形试片，方形试片在70℃固化若干时间后，在120℃时进行热处理。
三、 配方的改变对力学性能的影响 3．1扩链剂DMTDA用量对力学性能的影响
NH2/OH 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 注：NCO/(OH＋H)摩尔比控制为1.10，热处理时间1h。
空白 1.53 0.10 5.78 0.20 7.86 0.30 8.76 0.40 9.45 0.50 10.23 120 285 332 418 367 313 在HTPB/TDI/DMTDA聚氨酯弹性体材料中DMTDA的作用是与TDI发生反应，生成脲基，形成分子链中的硬段。调整扩链剂DMTDA的用量必然改变了分子链中的硬段数量，从而影响弹性体的性能，在研制过程中固定异氰酸酯指数，调整DMTDA的用量即调整 HTPB与DMTDA的比例通常采用NH2/OH来表达。有关对性能影响的测试结果见表1。
由上表的测试数据可知，随着NH2/OH的比例的变化，扩链剂DMTDA在配方中的用量的增加，弹性体的力学性能发生了变化，拉伸强度逐步提高，断裂伸长率增加后又有所下降。当配方中的NCO/(OH+H)摩尔比控制在1.10，随扩链剂DMTDA在配方中的用量的增加，分子结构中的硬段数量急剧增加，产生强烈的氢键作用。同时，过量的甲苯二异氰酸酯中的NCO基团与脲基中的NH进一步产生化学反应DMTDA的增加必然使弹性体内部的交联密度增加，力学性能得到提高。交联密度的大量提高必然限制了分子链、链段以及基团的蠕动、转移和旋转等，导致断裂伸长率增加后又有所下降。 3．2异氰酸酯指数对弹性体性能的影响
异氰酸酯的作用一方面增加硬段数量，另一方面起到交联作用。由下表的测试数据可知，随着异氰酸酯指数的增加，弹性体的力学性能发生了变化，拉伸强度逐步提高，断裂伸长率增加后又有所下降。当配方中的扩链剂DMTDA摩尔比控制在0.30，异氰酸酯指数在配方中的增加，从0.75增加到0.90左右时，分子结构中的硬段数量急剧增加，加快了微相分离现象的产生，产生强烈的氢键作用，各项性能得到提高。同时配方中存在的过量的甲苯二异氰酸酯中的NCO基团，在高温下可以与脲基中的NH2产生反应，当异氰酸酯指数大于1.0时，使材料的交
联密度增加，所以性能得到提高。但是随着过量的甲苯二异氰酸酯中的NCO基团参与反应后，即异氰酸酯指数大于等于1.10以后，使弹性体内部的交联密度大量提高，必然限制了分子链、链段以及基团的蠕动、转移和旋转，导致断裂伸长率增加后又有所下降。 NCO/(OH+H) 拉伸强度/MPa 断裂伸长率/% 注：NH /OH的摩尔比值控制为0.30，热处理时间1 h。
0.75 2.02 0.81 3.15 0.90 5.87 1.00 8.31 1.10 8.76 1.25 9.08 159 210 358 465 418 381 四、 制备聚氨酯弹性体所考虑的其他助剂
聚氨酯弹性体从合成到加工应用都离不开助剂,按所起作用的不同,可分合成体系、改性及操作体系、硫化体系及防护体系四类助剂。这里主要涉及到的制备助剂为催化体系。在聚氨酯弹性体的合成中，最常用的催化剂有叔胺和有机锡两类。胺类催化剂多用于泡沫配方中的成泡反应，在聚醚体系中，胺类和锡类催化剂并用可获得最佳的泡孔结构；有机锡类催化剂通常催化HO和NCO反应过程，可避免OH副反应。
一般说来，使用催化剂对最终产品的性能是有不良影响到的，主要影响高温性能和耐水解性。
五、 聚氨酯弹性体配方设计的实例
以1吨量计
设此配方为PAPI/TDI/HF-220/HF-330
则，已知PAPI的平均官能度2.7，平均分子量为391.22，则当量为391.22/2.7=144.9
投料：PAPI 40kg 当量数 0.3105 HF-330 1000kg 当量数 1.000 HF-220 91kg 当量数 1.000 TDI 183kg 当量数 2.100
配方中TDI以及聚醚的剩余量为1000-（40+91）=869kg 聚醚与TDI的理论比例为 TDI 15.47% 聚醚 84.53%
则配方中TDI用量为865*15.47%=134.4kg TDI和PAPI之和为134.4+40=174.4kg 聚醚用量为869*84.53%=734.5kg
配方中聚醚用量为91+734.5=825.5kg 已给定：HF-220/HE-330=7:3 HF-220用量为825.5*70%=578kg，与PAPI匹配91kg,则与TDI匹配487kg HF-330用量为825.5-（91+487）=247.5kg 配方列表如下
聚醚 HF-330 248.00kg HF-220 488.00kg 甲苯二异氰酸酯 134.00kg PAPI 40kg 聚醚合计 736.00kg 异氰酸合计 174.00kg 适当加入添加剂白炭黑提高抗撕裂性能 配方为
序号 原料 投料量/kg 1 HF-330 248.00 2 HF-220 488.00 3 TDI 134.00 4 PAPI 40 5 白炭黑 80 总计 990kg
六、 总结与创新
通过以上的描述和讨论，可以看出HTPB/TDI/DMTDA聚氨酯弹性体材料可通