NCO含量对潜固化型单组分聚氨酯材料性能的影响.pdf
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1、第4 2卷 第4期2 0 2 3年8月 山东科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y(N a t u r a l S c i e n c e)V o l.4 2 N o.4A u g.2 0 2 3D O I:1 0.1 6 4 5 2/j.c n k i.s d k j z k.2 0 2 3.0 4.0 1 0 文章编号:1 6 7 2-3 7 6 7(2 0 2 3)0 4-0 0 8 5-0 7N C O含量
2、对潜固化型单组分聚氨酯材料性能的影响李灿刚1,常源智1,张 磊2,王蓓蓓1,田秀娟1(1.山东科技大学 材料科学与工程学院,山东 青岛 2 6 6 5 9 0;2.山东裕盛佳合智能科技有限公司,山东 烟台 2 6 4 0 0 0)摘 要:以甲苯二异氰酸酯与聚四氢呋喃多元醇为原料合成了端异氰酸酯预聚物,以I n c o z o l 4为潜固化剂制备了不同异氰酸酯基含量的单组分聚氨酯材料。通过红外光谱分析、动态力学分析、热重和机械强度分析等方法,考察了异氰酸酯基含量对单组分聚氨酯材料性能的影响。结果表明:随着异氰酸酯基含量的升高,单组分聚氨酯材料的阻尼因子峰值不断降低,玻璃化转变温度升高(向高温方
3、向偏移);材料的热分解温度下降且温度范围变宽;材料的拉伸强度、断裂伸长率均升高,而吸水率呈下降趋势。关键词:异氰酸酯基;潜固化;单组分;聚氨酯中图分类号:TQ 3 2 3.8 文献标志码:A收稿日期:2 0 2 2-0 9-2 6基金项目:山东省自然科学基金项目(Z R 2 0 2 0ME 0 6 7)作者简介:李灿刚(1 9 9 1),男,山东泰安人,硕士研究生,主要从事聚氨酯材料的研究.田秀娟(1 9 7 8),女,江苏沛县人,高级实验师,博士,主要从事聚合物改性研究,本文通信作者.E-m a i l:s k d 9 9 2 8 6 3s d u s t.e d u.c nE f f e
4、c t o f N C O c o n t e n t o n p r o p e r t i e s o f l a t e n t c u r i n g o n e-c o m p o n e n t p o l y u r e t h a n eL I C a n g a n g1,CHANG Y u a n z h i1,Z HANG L e i2,WANG B e i b e i1,T I AN X i u j u a n1(1.C o l l e g e o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g
5、,S h a n d o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,Q i n g d a o 2 6 6 5 9 0,C h i n a;2.S h a n d o n g Y u s h e n g J i a h e I n t e l l i g e n t T e c h n o l o g y C o.L t d,Y a n t a i 2 6 4 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T e r m i n a l i s o c y a n a t e p r
6、 e p o l y m e r s w e r e s y n t h e s i z e d w i t h t o l u e n e d i i s o c y a n a t e a n d p o l y t e t r a h y d r o f u r a n p o l y o l.O n e-c o m p o n e n t p o l y u r e t h a n e m a t e r i a l s w i t h d i f f e r e n t i s o c y a n a t e g r o u p c o n t e n t s w e r e p r
7、 e p a r e d w i t h I n c o z o l 4 a s a l a t e n t c u r i n g a g e n t.T h e i n f l u e n c e o f i s o c y a n a t e g r o u p c o n t e n t o n t h e p r o p e r t i e s o f o n e-c o m p o n e n t p o l y u r e-t h a n e w a s i n v e s t i g a t e d b y u s i n g i n f r a r e d s p e c t
8、 r o s c o p y,d y n a m i c m e c h a n i c a l a n a l y s i s,t h e r m o g r a v i m e t r i c a n a l y s i s,a n d m e c h a n i c a l s t r e n g t h a n a l y s i s.T h e r e s u l t s s h o w t h a t w i t h t h e i n c r e a s e o f i s o c y a n a t e g r o u p c o n t e n t,t h e p e a k
9、 v a l-u e o f d a m p i n g f a c t o r d e c r e a s e s c o n t i n u o u s l y a n d t h e g l a s s t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i n c r e a s e s(s h i f t s t o t h e h i g h t e m-p e r a t u r e);t h e t h e r m a l d e c o m p o s i t i o n t e m p e r a t u r e d e c r e a s
10、e s a n d t h e t e m p e r a t u r e r a n g e w i d e n s;t h e t e n s i l e s t r e n g t h a n d e l o n g a t i o n a t b r e a k i n c r e a s e w h i l e t h e w a t e r a b s o r p t i o n r a t e d e c r e a s e s.K e y w o r d s:i s o c y a n a t e g r o u p;l a t e n t c u r i n g;o n e-
11、c o m p o n e n t;p o l y u r e t h a n e潜固化型单组分聚氨酯材料是由端异氰酸酯的预聚物、潜固化剂和助剂等组成的“液体橡胶”1-2。在交联固化过程中,潜固化剂优先与水反应分解释放出含有-OH、-NH2(或-NH)的化合物;化合物的-OH、-NH2(或-NH)活性基团再与预聚物中的-N C O反应交联固化形成聚氨酯材料,反应机理如图1所示。固化后的聚氨酯材料中含有大量的脲基、氨基甲酸酯基等极性基团,氢键化明显、分子间作用力强,形成微相分离结构3-5,对材料的性能产生重要影响。单组分聚氨酯材料具有良好的机械强度、耐磨、耐水解、绝缘性能,在防水、密封胶、胶黏剂
12、等领域具有广泛的应用前景6-1 0。大多数研究者关注单组分聚氨酯材料的机械强度、固化状态及外观状态等性能。一些研究发现聚氨酯山东科技大学学报(自然科学版)2 0 2 3年第4期材料固化时间有差异,如单组分材料的固化时间随着异氰酸酯基团(N C O)含量的升高而延长1 1-1 2,但陈海良等1 3研究认为固化时间随着N C O含量的升高而缩短,产生这种相反现象的原因是异氰酸酯种类的不同。还有研究者发现单组分材料的拉伸强度、断裂伸长率随着N C O含量的升高而上升的现象1 1-1 4。固化状态、机械强度等性能的研究为单组分聚氨酯材料的应用提供依据,但N C O含量对材料的动态力学性能、热稳定性等性
13、能影响的研究较少。本研究以甲苯二异氰酸酯与聚四氢呋喃多元醇反应合成不同N C O含量的预聚物,在预聚物中添加潜固化剂制备单组分聚氨酯材料,研究了预聚物的N C O含量对单组分聚氨酯材料耐热性能、动态力学性能与机械强度等性能的影响,以期对单组分聚氨酯材料的设计开发与工程化应用提供依据。图1 潜固化型单组分聚氨酯材料交联固化反应机理F i g.1 C r o s s l i n k i n g a n d c u r i n g r e a c t i o n o f l a t e n t o n e-c o m p o n e n t p o l y u r e t h a n e m a t
14、 e r i a l s1 实验部分1.1 试剂甲苯二异氰酸酯(t o l u e n e d i i s o c y a n a t e,T D I),工业级,上海巴斯夫聚氨酯有限公司;聚四氢呋喃多元醇(p o l y t e t r a h y d r o f u r a n p o l y o l,P TH F),数均分子量1 0 0 0 g/m o l,日本三菱化学株式会社;聚氨酯催化剂B C AT-2 0 A,工业级,广州优润合成材料有限公司;1 2 0#溶剂油,氨酯级,青岛海力加化学新材料有限公司;潜固化剂I n c o z o l 4,工业级,英国I n c o r e z公司。
15、表1 不同N C O含量预聚物各组分添加量T a b l e 1 A d d i t i o n a m o u n t o f e a c h c o m p o n e n t o f p r e p o l y m e r w i t h d i f f e r e n t N C O c o n t e n t s编号N C O含量*/%添加量/gT D IP TH FI n c o z o l 413.4 82 1.07 9.09.224.0 52 2.07 8.01 0.734.6 22 3.07 7.01 2.245.1 82 4.07 6.01 3.755.7 52 5.07
16、5.01 5.266.3 12 6.07 4.01 6.7 *未添加1 2 0#溶剂油预聚物的理论含量1.2 样品制备1.2.1 合成预聚物将聚四氢呋喃多元醇加热至完全融化后加入到三口烧瓶中,打开电加热套升温至1 2 01 3 0;开启真空泵将烧瓶内气压降至0.0 1 0 0.0 1 5 MP a,负压环境下脱水1.52.0 h。脱水结束后通入氮气并加入1 2 0#溶剂油(加 入 比 例 为m预聚物m1 2 0#溶剂油=1 01);料温降至5 06 0 后,将甲苯二异氰酸酯 加 入 烧 瓶 中,8 08 5 保 温 反 应1.52.0 h;采用二正 丁 胺 法 测 定 预 聚 物N C O含量
17、1 5,达到理论值后即可充氮密封备用。合成预聚物各组分添加量列于表1。1.2.2 潜固化型单组分聚氨酯材料的制备将潜固化剂I n c o z o l 4按R值(nN C O:n活泼氢)为1.1加入到预聚物中,再加入按预聚物质量计1的B C AT-2 0 A,混合均匀得到单组分聚氨酯材料,充氮密封备用。将制备的单组分聚氨酯材料刮涂在涂有脱模剂的铝合金模具中,在恒温恒湿实验箱(温度2 3、相对湿度5 0%)中养护7 2 h后,将固化的单组分聚氨酯材料从模具中剥离,翻转后继续在恒温恒湿实验箱中养护9 6 h。68李灿刚等:N C O含量对潜固化型单组分聚氨酯材料性能的影响1.3 性能测试与表征红外分
18、析采用美国赛默飞世尔科技公司生产的N i c o l e t 6 7 0 0傅里叶变换红外光谱仪,测试范围4 0 04 0 0 0 c m-1,分辨率4 c m-1,扫描次数3 2次。动态力学分析采用瑞士梅特勒-托利多公司的DMA 1 型动态热机械分析仪,温度扫描范围-6 08 0,升温速率2 m i n-1,频率1 0 H z。热性能分析采用瑞士梅特勒-托利多公司的T GA/D S C 1 型同步热分析仪,温度扫描范围3 06 0 0,升温速率为1 0 m i n-1。力学性能测试采用A I-7 0 0 0 s拉力试验机,参照G B/T 5 2 82 0 0 9测试拉伸强度与断裂伸长率。采用
19、哑铃型I型裁刀制备拉伸测试样片,每个配方测试5个试样,测试结果取中位数,拉伸速率为5 0 0 mmm i n-1。参照G B/T 2 3 4 4 62 0 0 9 喷涂聚脲防水涂料 中7.1 4规定的方法测试样片的吸水率。图2 不同N C O含量单组分聚氨酯材料的红外光谱图 F i g.2 I n f r a r e d s p e c t r a o f o n e-c o m p o n e n t p o l y u r e t h a n e m a t e r i a l s w i t h d i f f e r e n t N C O c o n t e n t s2 结果与讨论
20、2.1 红外光谱分析图2为不同N C O含量的单组分聚氨酯材料的红外光谱测试图。分析发现,2 2 8 02 2 4 0 c m-1范围内没有明显的N C O伸缩振动吸收峰,表明-N C O活性基团已经完全反应。2 9 3 7 c m-1附近与2 8 5 3 c m-1附近为-CH3、-CH2-的不对称与对称伸缩振动吸收峰,1 7 0 0 c m-1附近为氨基甲酸酯、取代脲基、酰胺基中C=O伸缩振动吸收峰,1 5 3 4 c m-1附近为C-N的伸缩振动吸收峰,1 2 2 4 c m-1附近为氨基甲酸酯-C-O-振动吸收峰,1 1 0 0 c m-1附近为C-O-C伸缩振动吸收峰1 6。3 3
21、0 0 c m-1附近为氨基甲酸酯、取代脲基的-NH伸缩振动吸收峰,研究发现随着N C O含量的升高,该吸收峰的强度逐渐增大,这是结构中的氨基甲酸酯、取代脲基的含量增加的结果。此外该吸收峰位置略向低频移动,是由于结构中的极性基团的含量增加,提高了硬段结构中-NH与C=O氢键化的作用。图3 不同N C O含量单组分聚氨酯材料的阻尼因子曲线F i g.3 D a m p i n g f a c t o r c u r v e o f o n e-c o m p e t e n t p o l y u r e t h a n e m a t e r i a l s w i t h d i f f e
22、 r e n t N C O c o n t e n t s2.2 动态力学性能分析图3为不同N C O含量的单组分聚氨酯材料阻尼因子的测试结果。观察发现,随着温度升高,阻尼因子(t a n)先上升后下降,在玻璃化转变区域出现阻尼损耗峰。分析原因,当温度远低于玻璃化转变温度(Tg)时,材料内部自由体积小,柔顺的-C-O-C-链段无运动空间,处于“冻结”状态,仅有键长伸缩振动、键角的变形振动以及侧-CH3等基团的微布朗运动,材料处于玻璃态;材料受到交变应力作用时,应变的响应时间短,应变可以跟得上应力的变化,材料内摩擦作用弱,阻尼因子较小。随着温度升高,材料自由体积增大,-C-O-C-、-C-C-
23、等链段的运动空间逐步释放,可通过键的内旋转改变构象,材料进入玻璃化转变区;在交变应力作用下,受体系黏度的影响应变的响应时间较长,应变滞后于应力的变化,材料的内摩擦作用明显,阻尼因子升高。随温度继续升高,材料自由体积增大至可满足与四亚甲78山东科技大学学报(自然科学版)2 0 2 3年第4期基、苯环、酯基、氨基甲酸酯等基团相连链节的运动,相邻键的内旋转协同作用得以实现,材料进入高弹态,体系黏度进一步降低,在交变应力作用下应变响应的滞后效应逐步缓解,链段运动受到的内摩擦力降低,阻尼因子t a n 下降1 7。表2 不同N C O含量单组分聚氨酯材料的阻尼测试结果T a b l e 2 D a m
24、p i n g t e s t r e s u l t s o f o n e-c o m p o n e n t p o l y u r e t h a n e m a t e r i a l s w i t h d i f f e r e n t N C O c o n t e n t s编号N C O含量/%t a n m a xTg/硬段含量/%13.4 80.5 1-2 8.52 7.724.0 50.4 6-2 2.82 9.534.6 20.4 2-1 2.43 1.345.1 80.4 0-6.13 3.155.7 50.3 81 1.03 4.966.3 10.3 91 1.
25、83 6.5分析表2中阻尼因子的数据发现,随着N C O含 量 的 升 高,阻 尼 因 子 峰 值(t a n m a x)由0.5 1降低至0.3 8。这是由于硬段含量增加,硬段结构T D I-I n c o z o l 4在单组分材料中 的体积比升 高,软段结构P TH F对硬段结构的相容性下降,软硬段结构微相分离提升,链段受到的内摩擦作用力减小,因此t a n m a x降低。本研究以阻尼因子峰值对应的温度为玻璃化转变温度(Tg),数据列于表2中。随着N C O含量的升高,Tg由-2 8.5 上升至1 1.8。这是由于N C O含量的升高,材料主链结构中氨基甲酸酯、取代脲基等极性基团的含
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