遇水膨胀聚氨酯的制备与研究

论文总字数：13385字

摘 要

以甲苯二异氰酸酯、高亲水性聚醚多元醇为主要原料合成预聚体，将1,4—丁二醇、1,3—丙二醇等作为扩链剂与其反应，并加入吸水剂聚丙烯酰胺来制备了双组分遇水膨胀聚氨酯材料。实验通过改变聚醚多元醇与甲苯二异氰酸酯之间的比例，观察生成聚氨酯的固化情况来找出合适比例，之后再使用不同种类的扩链剂进行相同的反应，以及使用不同种类的吸水剂来增加实验的对比，最终对其力学性能和遇水膨胀性能进行了分析考察，得出合成遇水膨胀聚氨酯的最优方案。

关键词：聚氨酯；力学性能；遇水膨胀。

Abstract:The prepolymer is synthesized from tolylene diisocyanate and a highly hydrophilic polyether polyol as a main raw material, which is combined with a chain extender such as 1,4-butanediol and 1,3-propanediol, and a thickener polypropylene is added. Amide to prepare a two-component water-swellable polyurethane material. Experiments to find the right ratio by changing the ratio between polyether polyol and toluene diisocyanate, observe the solidification of the resulting polyurethane, and then use the same kind of chain extender for the same reaction, and use different kinds of thickeners. To increase the contrast of the experiment, the final analysis of its mechanical properties and water swelling performance was conducted, and the optimal scheme for the synthesis of water-swellable polyurethane was obtained.

Keywords: Polyurethane; Mechanical properties; Water swelling

目录

1前言 4

2实验部分 5

2.1原料的来源及规格 5

2.2实验操作部分 5

2.3分析测试方法 5

实验原理 5

盐酸标定 6

NCO含量测定 6

2.3.2红外光谱分析 6

2.3.3吸水膨胀率 6

2.3.4力学性能 6

3结果与讨论 8

3.1红外光谱分析 8

3.2 吸水膨胀率 8

3.3力学性能 9

结论 11

参考文献 12

致谢 13

1 前言

吸水膨胀材料是在工业中和生活中与每个人息息相关的材料之一。作为国际上排行前列的基础设施建设大国，我国的中铁集团每次开山打隧道一直都忽视不了一个非常重要的问题，那就是吸水止水密封材料的使用。山体内部漏水不仅会对铁轨、火车造成不可逆的影响，更重要的是由此导致严重的安全事故。这种后果是任何一个集团或者机构都难以承担的。同样在生活中，我们的每个人家里面的厨房、卫生间、阳台的排水系统和需要水管转接的地方也都离不开吸水膨胀材料的使用。

吸水膨胀聚氨酯弹性体是新型防水和阻水材料。聚醚多元醇是此类高分子材料中的主要链段，它的吸水膨胀是因为具有吸水性能的聚醚分子链中亲水单元，吸水后的聚醚分子由高度缠绕的线形态变成链舒展形态，即变现为遇水膨胀^[1]。并且保持了原有吸水膨胀材料的力学性能，同时加强了吸水效率，今天，这种聚氨酯在水利，交通和建筑中有广泛的用途^[2]。近年来，对于吸水膨胀材料的研究层出不穷，形势利好，同时也存在着竞争。对于这种吸水材料的科研投入能让企业在商业市场同行中站在领先的地位。

这种聚氨酯预聚体中的硬段部分由多异氰酸酯构成，种类有芳香族(TDI、MDI)、脂肪族(HDI)、脂环族(IPDI、HMDI)等，其中芳香族异氰酸酯中因含有苯环，给予产品强度高的优点且因为刚性苯环结构的存在所以产品性能优良，但产品长时间放置或暴晒后易黄变而使美观效果降低^[3,4]；而脂环族与脂肪族相比于芳香族异氰酸酯耐黄变能力和贮存稳定性较好，反应也易控制，多元醇化合物是遇水膨胀聚氨酯分子链中软段的组成部分。而要将预聚体变为聚氨酯合成体必须加入合适的扩链剂；分子量小的扩链剂，用于调节分子链结构、聚氨酯相对分子质量以及软段硬段比例，以改善材料性能^[5]。常用的有二甘醇、1,4—丁二醇、1,3—丙二醇等，合成过程中加入醇类扩链剂，反应温和容易控制^[6]。为了能让产品在短时间固化，在实验室通常会加入增稠剂缩短固化时间，增稠剂都是亲水性聚合物，而水相增稠剂应用更常用^[7]。增稠剂本质上是一种流变助剂，加快实验过程的固化时间。试验三种类型：聚丙烯酰胺阴离子300万、阴离子600万、阴离子800万。

遇水膨胀聚氨酯有两种吸水类型；第一类填充物吸水型，以吸水材料添加于载体橡胶中，但是这类材料有个缺点，那就是使用时间过长以后吸水材料会随水流消失，导致吸水性能急剧下降。第二类是主体材料结构吸水型，由聚氨酯结构的亲水性多元醇与异氰酸酯，扩链剂经过聚合反应制得^[8,9]。

本实验选用聚醚1621（分子量4680）作为主要原料，考虑其自身分子侧链含有大量氧原子，容易与水中的氢原子结合从而达到吸水的目的^[10]。首先将聚醚1621与甲苯二异氰酸酯（TDI）合成聚氨酯的比例确定下来，需要实验通过对聚氨酯固化情况来确定合适比例，而实验过程中也选择了聚乙二醇（PEG3000）为主料来合成聚氨酯，但因其固化后吸水效果较差，几乎不吸水，直接弃用。之后选用了不同的扩链剂进行实验研究，因为胺类扩链剂反应过于剧烈，容易直接成膜，因此选择醇类扩链剂进行实验研究，不同种类的醇类扩链剂对聚氨酯的固化都有不同的影响^[11,12]。再次对吸水性能的研究，通过加入不同分子量的聚丙烯酰胺作为吸水剂，并对其吸水膨胀率做出分析比较，最终得到综合性能最优的吸水膨胀聚氨酯产品。

2 实验部分

2.1 原料的来源及规格

聚醚1621（分子量4680）：工业级；江苏利宏科技发展有限公司； 聚乙二醇3000（PEG3000）：工业级：江苏利宏科技发展有限公司；甲苯二异氰酸酯（TDI）：工业级；江苏卧尔康家居用品有限公司；1、4—丁二醇：分析纯，上海麦克林有限公司；1、3—丙二醇：分析纯，上海麦克林有限公司；聚丙烯酰胺：工业级；丙酮，分析纯（AR）：国药集团化学试剂有限公司；二正丁胺：分析纯，永华化学科技（江苏）有限公司；。丙三醇：分析纯，上海国药集团有限公司；

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