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摘 要

：本实验用二苯甲烷二异氰酸酯和聚醚多元醇为原料制备聚氨酯弹性体。通过测试所合成的聚氨酯弹性体邵尔A 硬度、拉伸强度等一系列力学性能测试产品性能选择最佳配比。结果表明：添加填料在一定程度上可增强产品力学性能，增加各5 % 质量分数的凹土和碳酸钙所合成的聚氨酯弹性体力学性能提高显著。

关键词：聚氨酯弹性体，力学性能，应用

Abstract：The polyurethane elastomer is synthesized by diphenyl-methane-diisocyanate and polyether polyol. The synthesis of PUE Shore hardness, tensile strength and a series of mechanical performance are tested to choose the best product performance ratio. The results show that by adding filler to a certain extent, the mechanical properties of the product can be strengthened. And the synthesis of PUE mechanical properties can be improved significantly, if increasing each 5% in the mass fraction of concave soil and calcium carbonate.

Keywords：polyurethane elastomer; mechanical property; application

目 录

1 前言 3

2 实验部分 4

2.1 主要实验试剂及主要仪器 4

2.2 聚氨酯弹性体制备基本原理 4

2.3 实验步骤 5

3 结果与讨论 6

3.1 聚醚多元醇种类对聚氨酯弹性体邵尔A硬度的影响 6

3.2 原料质量比改变对聚氨酯弹性体邵尔A 硬度的影响 6

3.3 扩链剂的选择对聚氨酯弹性体邵尔A硬度的影响 6

3.4 填料的比例对聚氨酯弹性体性能的影响 7

3.5 优化配方 8

结 论 10

参 考 文 献 11

致 谢 12

1 前言

天然橡胶很长一段时间来都是橡胶制品的主要原材料，随着生产规模的扩大，原材料供应紧缺问题一直无法避免，资源匮乏问题一直困扰各国。在第二次世界大战期间，德国科学家Otto Bayer 与其同事们为了找到能替代天然橡胶、钢材等紧缺战略物资的材料，首先合成出了聚氨酯弹性体，因聚氨酯所具有的特殊性能使其逐渐发展成为材料加工工业的重要材料。在20 世纪50 年代，随着更清洁低毒的原料、助剂的生产以及新型技术的开发：现场喷涂发泡、无空气喷涂和泡沫状发泡技术等新工艺，为聚氨酯的发展奠定了技术与物质基础；到20 世纪60 年代，从原料生产到弹性体合成以及加工应用领域等，美国的聚氨酯市场已经形成较完善的工业化体系^[1]。又因为聚氨酯材料种类繁多，随着加工工艺的不同，其产品性能也各不相同，其性能范围较宽，兼具塑料和橡胶性能，应用领域也不断拓展，现已成为世界六大发展合成材料之一^[2-3]。

聚氨基甲酸酯 (PU，polyurethane) 是分子主键含有氨基甲酸酯重复单元 ( -OOCNH- ) 的聚合物的总称，简称聚氨酯。PU有良好的耐磨性、力学性能和减震性等，是一种具有优异性能的高分子材料。聚氨酯基团由 -NCO与 -OH等含有活性氢的化合物进行化和反应形成，聚氨酯弹性体 (PUE，polyurethane elastomer) 是一种嵌段聚合物，指玻璃化温度低于室温，扯断伸长率大于50 %，在撤除外力后复原性比较好的高分子材料^[4]。原材料种类不同则聚氨酯类型不同，其理化性质亦不同。如若反应多元醇类型不同，PU可分为聚酯型聚氨酯、聚醚型聚氨酯、聚碳酸酯型聚氨酯、聚烯烃型聚氨酯等多种类型，其中前两者应用较多，聚酯型聚氨酯耐磨性和力学性能性较好，但耐水解性能较差；聚醚型聚氨酯虽然力学性能较差，但水解稳定性好^[5,6]。而根据加工方式不同，聚氨酯弹性体又可分成混炼型(MPU)、浇注型(CPU) 和热塑型(TPU) ，其中弹性体主要品种是浇注型^[7]。

聚氨酯性能受大分子的形态结构影响，大分子主链由软段和硬段组成，可用两相形态学来解释其独特的物性。其中小分子扩链剂和异氰酸酯组成硬段；而软段是由多元醇组成。一般，在聚氨酯弹性体结构中，软段比例较硬段大，由于硬段极性极强，相互引力大，硬段与软段有不相容性，所以硬段容易聚集在一起形成微区，此现象被称为“微相分离”，适度的相分离有利于改善聚合物的性能^[8]。

PU性能优异，易于成型加工，广泛用作于涂料、氨纶、弹性体、合成革、粘合剂、泡沫塑料等领域^[4]。其原料来源广泛，综合性能优异，产品可直接由液体原料加工成型，并且通过调整配方，可在一个较宽的范围改变其力学性质，近年来得到充分的认可，几乎遍及工业、医疗、农业等各方面^[9-11]。PUE 全球消费量逐年上升，据中国聚氨酯工业协会统计，中国PU 产品消费2005 年消费量为300 万吨，2004 年和2003 年分别消耗269 万吨和210.4 万吨，各类PU 产品在2000 年到2005 年年均增长率总计达 6.7 % ( CASE：6.7 %；软质泡沫：6.0 %；硬质泡沫：8.5 %；粘合剂：4.7 % ) ，2005 年到2010 年年均增长率总计达 4.2 % ( CASE：4.1 %；粘合剂：2.5 %；软质泡沫：3.9 %；硬质泡沫：5.2 % ) ^[3]，增长率虽然下降，但市场份额仍是巨大，其中硬质泡沫增长率保持在5 % 以上。直到2011~2016 年聚氨酯年均增长率总计达到9.5 % (交通：8.4 %；家具电器：10 %；家具：6.7 %；建筑：10.0 %；制鞋、制革：8.3 %；体育行业：12.9 %；其他：7.6 % )，足可见其仍有广阔的发展空间。

本实验用二苯甲烷二异氰酸酯 (MDI, Diphenyl-methane-diisocyanate) 和聚醚多元醇（官能度 3，分子量 3000；官能度2，分子量2000）为原料制备聚氨酯弹性体，通过使用不同的扩链剂以及加入不同填料、调整合成原料比例以达到制备出拥有预期力学性质的产物的目的.聚酯型聚氨酯耐磨性和力学性能较好，但耐水解性能较差；聚醚型聚氨酯虽然力学性能较差，但水解稳定性好，故此用以替代传统的橡胶制品在涉水产品中的应用。

2 实验部分

2.1 主要实验试剂及主要仪器

二苯甲烷二异氰酸酯MDI （褐色液体，工业级）；聚醚多元醇220 (无色液体， Mn = 2000，工业级）；聚醚多元醇330 (无色液体，Mn = 3000，工业级）；1,4-丁二醇（BDO ,化学纯，国药集团化学试剂有限公司）；硫化剂（MOCA，黄色粉末状颗粒，批号：ATK-8008-181 苏州市湘园特种精细化工有限公司）；凹土（灰色粉末颗粒，TWO3 塑料成核剂，江苏玖川纳米材料科技有限公司）；碳酸钙（粉末颗粒，工业级）；石墨（粉末颗粒，工业级）；有机锡催化剂（无色液体）。

循环式多用真空泵（SHZ-95A 型）；磁力搅拌加热器（C-MAG HS7 型）；真空干箱（DZF-6050 型）；搅拌器（1001C 型）；橡胶硬度计（TIME5420 型）；拉力机（XWW-10A 型）；强度测试仪（HTS-KY6700型）；自制模具。

2.2 聚氨酯弹性体制备基本原理

异氰酸酯与羟基的反应：RNCO R’OH → RNHCOOR’ （氨基甲酸酯）。此反应为二级反应，其中反应速率随羟基含量发生变化，不随异氰酸酯基浓度改变。

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