PBA/MDI/HQEE有机粘土体系TPU的制备工艺及性能分析

 摘要：本文采用聚己二酸丁二醇酯二醇（PBA）、二异氰酸酯（MDI）、对苯二酚二羟乙基醚（HQEE）、有机粘土为原料，采用一步法制备热塑性聚氨酯（TPU）,经熔融插层法制备一系列具有不同粘土含量（0%、1%、3%、5%）的TPU/有机粘土纳米复合材料。借助拉伸测试、硬度测试、旋转流变仪、X射线衍射、偏光显微镜、热失重分析、热变形维卡软化点温度测试仪等手段研究了TPU/有机粘土纳米复合材料的结构与性能关系。分析结果表明：相同硬段、不同粘土含量的TPU/有机粘土纳米复合材料的力学性能随粘土加入量的增加而增大，但当粘土添加量超过一定量时，弹性体的拉伸性能开始有所下降；热稳定性分析表明TPU具有较好的热稳定性，粘土含量1%的TPU具有较高的抗热变形能力；结晶性能分析表明TPU具有一定的结晶性能；流变性能分析表明TPU表现出典型的假塑性流体的特征。综上所述，当有机粘土含量为1%时有机粘土纳米复合材料的综合性能最佳，表现为拉伸强度最高，耐热性能、结晶性能最好，其余依次为3%、5%、0%，综合说明有机粘土作为改性材料，能增强TPU的性能。
关键词：热塑性聚氨酯，聚己二酸丁二醇酯二醇，纳米复合材料，旋转流变仪，结晶性能
1 前言 1
1.1 TPU概述 1
1.1.1 TPU的种类及特点 1
1.1.2 TPU的结构和性能 2
1.1.3 TPU共混改性进展 4
1.2 聚合物纳米复合材料 6
1.2.1 聚合物纳米复合材料的制备及其特点 7
1.2.2 聚氨酯/蒙脱土纳米复合材料的研究现状 10
1.3 本论文主要研究内容 11
2 实验部分 12
2.1 反应原理 12
2.2 实验原料 12
2.3 实验仪器与设备 12
2.4 TPU的制备 13
2.4.1 TPU配方的计算 13
2.4.2 制备TPU的配方 14
2.4.3 合成TPU的工艺流程 14
2.5 TPU的性能测试与表征方法 16
2.5.1 利用邵氏硬度仪测试TPU的硬度 16
2.5.2 利用拉力试验机测试TPU的力学性能 17
2.5.3 利用旋转流变仪测试TPU的流变性能 17
2.5.4 热失重分析 17
2.5.5维卡软化点 18
2.5.6 利用XRD测试TPU的结晶性能 18
3 结果分析与讨论 19
3.1 结构表征 19
3.2 TPU结构对其结晶性能的影响 20
3.2.1 TPU的结晶性能分析 21
3.2.2 偏光观察研究 21
3.2.3 弹性模量与温度的关系 22
3.2.4 弹性模量与时间的关系 22
3.3 TPU结构对力学性能的影响 23
3.3.1 TPU的硬度分析 23
3.3.2 TPU的力学性能分析 24
3.4 TPU结构对流变性能的影响 26
3.5.1 TPU的维卡软化温度分析 27
3.5.2 TPU的热重性能分析 28
4 结论 30
参考文献 31
致谢 32
聚氨酯弹性体TPU的种类繁多，如果按照聚合物多元醇原料分类，聚氨酯弹性体可以分为聚碳酸酯型、聚烯烃型、聚醚型和聚酯型等，而聚醚型聚氨酯弹性体可根据具体品种又可分聚四氢吠喃型、聚乙二醇型、聚氧化丙烯型等；根据所使用二元异氰酸酯的不同，又可以分为芳香族和脂肪族聚氨酯弹性体，具体又细分为IPDI型、TDI型、MDI型、NDI型等类型，常规聚氨酯弹性体以TDI型、聚酯型、聚醚型及MDI型为主，扩链剂主要有二元醇和二元胺两类。从严格意义上说，由二元胺扩链得到的聚氨酯弹性体是聚氨酯脲弹性体[1]。
从制造工艺上来分类，可以把聚氨酯弹性体分为混炼型、浇注型和热塑型三大类，它们都可以采用一步法和预聚体法合成。但是目前一些新工艺制备的制品产量已经超过某些传统类型，例如微孔聚氨酯弹性体和反应注射成型（RIM）工艺生产实心已成为一个重要的类别。另外，还有溶液涂敷及溶液浇注成型，它们也是聚氨酯的一个重要类型，主要用于生产合成革；近十年来国内外发展较快的一种新技术还包括喷涂成型技术[2]。
热塑性聚氨酯（TPU）主要由低聚物多元醇（软段），二异氰酸酯（硬段），扩链剂构成；常用软段有聚己内酯二醇和聚四氢吠喃二醇等，常用的硬段包括甲苯二异氰酸酯（TDI）、二苯基甲烷-4,4'-二异氰酸酯（MDI）等，常用的扩链剂包括1,4-丁二醇、乙二醇等。其性能主要是由所使用单体，硬段与软段的种类、浓度、长度、结晶性以及共聚物的形态等因素决定的。其中硬段对弹性体的拉伸强度、硬度、模量等力学性能有直接的影响；而软段则决定弹性体的弹性和耐低温性能等。TPU根据软段的不同，可以分为聚酯型、聚醚型。聚酯型TPU具有高强度和韧性，然而耐水解性、耐光老化较差；聚醚型TPU具有良好的物理机械性能，而且耐水解性较聚酯型好。热塑性聚氨酯弹性体一般是由聚酯或聚醚多元醇、二异氰酸酯、扩链剂反应而成。