聚氨酯材料合成研究 实验.docx

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聚氨酯材料合成研究实验

聚氨酯材料合成研究+实验

摘要：

本文对聚氨酯弹性体进行了综述，包括聚氨酯基本概念、反应机理、制备

聚氨酯弹性体所需要的原料、以及聚氨酯弹性体的合成方法。

以聚己二酸丁二醇

酯（PBA）、4，4′-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）和二元醇1，4-丁二醇（BDO）

为原料，采用一步法制备了热塑型聚氨酯弹性体，并使用傅立叶红外光谱仪和万

能试验机对材料进行了红外光谱和力学性能表征，研究了二元醇作为扩链剂对聚

醚聚氨酯弹性体性能的影响。

结果表明，在一定条件下，合成了聚氨酯弹性体，

随着BDO用量的增加，弹性体的冲击强度、拉伸强度、硬度性能提高，达到定

值后再增加用量反而使性能下降。

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关键字：

聚氨酯弹性体；扩链剂；性能

StudyoftheSynthesisofPolyurethaneMaterials

Abstract:

Polyurethane,includingthebasicconceptofpolyurethaneelastomer,

includingreactionmechanism,therequiredrawmaterials,aswellasthesynthesis

methodsofpolyurethaneelastomer,wassummarized.Thermoplasticpolyurethane

elastomerwaspreparedusingone-stepmethodwithpoly（butylglycolesterofadipic

acid（PBA）and4,4'-diphenylmethanediisocyanate（MDI）andglycol1,4-butanediol

（BDO）asrawmaterials.TheIRspectrumandmechanicalpropertiesofmaterialwere

characterizedbytheFourierinfraredspectrometeranduniversaltestingmachine.The

resultsshowthat,polyurethaneelastomerwassynthesizedatacertaincondition.With

anincreasingintheamountofBDO,theimpactstrength,tensile-strengthand

hardnessincrease.However,thesepropertiesofelastomerdecreaseafterreaching

maximumvaluewhenmoreamountofBDOwasadded.

热层和冲浪板等的芯材），以及运输工具（汽车、飞机、铁路车辆的坐垫、

顶棚等材料）。

（2）聚氨酯弹性体：

聚氨酯弹性体具有很好的抗拉强度、抗撕裂强度、耐冲

击性、耐磨性、耐候性、耐水解性、耐油性等优点。

主要用作涂覆材料

（如软管、垫圈、轮带、辊筒、齿轮、管道等的保护）、绝缘体、鞋底以

及实心轮胎等方面。

（3）聚氨酯防水材料：

聚氨酯防水材料的使用相当方便，可在现场混合、涂

布后进行常温湿气固化，即可得到具有无接缝、橡胶弹性并具有良好性

能的防水层。

且损坏后易修复。

一般用作铺地材料、田径场跑道材料、

赛马场、公园地面材料、隔热窗框等。

（4）聚氨酯涂料：

聚氨酯涂料具有强的黏合性，涂膜具有优良的耐磨性、耐

水性及耐药品性等。

主要用于家具涂料、建材涂料和工业印刷油墨等。

（5）聚氨酯胶黏剂：

可以通过调节异氰酸酯和多元醇的配比来实现对固化物

性能的调节，使其达到对基材的高度黏合性、优良的耐水性、耐油性以

及耐化学药品性。

聚氨酯胶黏剂主要用于包装、建筑、木材、汽车、制

鞋等行业。

（6）生物医用材料：

聚氨酯具有优良的生物体相容性，因此逐渐被广泛用作

生物医用材料。

可用于人工心脏起搏器、人工血管、人工骨骼、人工食1.2聚氨酯弹性体的概述

弹性体是指玻璃化温度低于室温、断裂伸长率＞50%、外力撤除后弹性恢复

比较好的高分子材料。

在弹性体中，其断裂伸长率较大（＞200%）、100%定伸

应力较小（如＜30MPa）、弹性较好的可以称之为橡胶，所以弹性体是比橡胶更

根据所用的多元醇的不同可以将聚氨酯弹性分为聚醚型聚氨酯弹性体、聚酯

型聚氨酯弹性体、蓖麻油型聚氨酯弹性体等。

根据加工工艺的不同还可以分为混炼型聚氨酯（MPU）、浇注型聚氨酯

（CPU）和热塑型聚氨酯（TPU）。

在所有聚氨酯种类当中，聚醚型聚氨酯是当

前应用中最为广泛的一类聚氨酯。

1.4聚氨酯弹性体的优点

在聚氨酯弹性体中，由于软硬段的不相容性，存在明显的微观相分离结构，

其中软段相提供弹性，硬段相起到增强填充和交联作用。

这种多相的高分子具有

好的机械强度、高硬度、耐磨耗和耐化学腐蚀性。

由于氨基甲酸酯基团的极性特

征、基团间形成氢键的能力以及长链软段和短链硬段溶解性的差异，导致软硬段

热力学不相容而产生微相分离，硬段分子之间强烈缔合在一起形成许多微区而分

散在软段相基质中。

这样最终形成的PU材料并不是统计学上的无规共聚物，而

是很高硬段含量的聚合物链与几乎是纯软链段的“混合物”，且在化学键连接的

两相微区中存在着氢键相互作用。

有强烈极性和氢键作用的硬段在橡胶态的软段

基质中起到物理交联点和活性增强填料的作用。

聚氨酯弹性体的独特结构赋予该

种材料具有优良的综合力学性能：

（1）优异的耐磨性能（Tabor磨耗0.5~3.5mg，天然橡胶146mg）；

（2）在很宽的硬度范围内（邵氏A10至邵氏D80）保持较高弹性

（400%~800%的伸长率）；

（3）高强度和高伸长率；

（4）负载支撑容量大、减震能力强，硬度在邵氏A85以上时仍能保持良

好的弹性；

弹性体制品也是重要方向。

日本的一些公司将木粉、蔗糖及废弃的咖啡等天然原

料混合于聚合物多元醇中制备聚氨酯弹性体，既能减少多元醇的用量，降低生产

成本，又赋予制品生物分解性，国外已有一定数量商品问世。

高性能阻尼聚氨酯弹性体用途广泛，制成的胶垫、密封件、套环、缓冲件、

轴封等具有很好阻尼作用。

特别是在各种精密设备、医疗器械及日用品、办公用品和电子计算机中，该材料在恶劣的外部环境中能够长期使用，不仅阻尼性能好、

而且机械强度高、回弹率高、尺寸稳定性好、耐多种溶剂及臭氧、紫外线等。

尤

其是在汽车行业应用广泛，目前已引起国内业界的高度重视。

近年来液晶聚氨酯弹性体研究也比较活跃，主要集中在原料的选择、工艺路

线的优化和物性改善等方面。

液晶聚氨酯是由刚性致介基因和柔性间隔基团连接

而成，是一种在熔体状态下具有液晶性能的聚氨酯弹性体。

该材料具有良好的机

械性能、热稳定性、高弹性、高延伸性能和加工性能。

液晶聚氨酯弹性体的合成

可以采取一步或两步聚合的方法，加工成型工艺多样，挤出、注射、模塑和涂覆

均可。

合成材料共混改性成为目前高分子化合物研究与发展重点之一，聚氨酯弹

性体可以与PVC、PV、PE、ABS等多种合成树脂进行共混改性，以降低生产成

本和提高物理和加工性能。

国外还开发出不同原料的聚氨酯弹性体，具有突出的

动态力学性能，回弹性好，而且具有非常好的挠曲性，应用和市场前景均十分看

好。

形状记忆聚氨酯弹性体是一种新型形状记忆材料，具有价格低、易成型加工、

当二醇过量时，生成端羟基线性聚氨酯：

nOCN-R-NCO+（n+1）HO-R'-OHHO-[-R'O-C-NHRNHC-O-]n-

\O/O

在合成MPU生胶和全热塑性TPU时，通常采用一步法，并在配方设计上使

二醇稍稍过量，以生成贮存稳定的端羟基聚氨酯。

当二异氰酸酯过量时，在适宜的条件下可生成端异氰酸酯基的线型聚氨酯：

（n+1）OCN-R-NCO+nHO-R'-OHOCN-[-R-NHC-O-R'-O-C-NH-]2-R-NCO

在合成CPU时，通常采用二步法，并使二异氰酸酯过量，先合成端-NCO

基预聚物，然后再与二胺或多元醇反应，成型制品。

多异氰酸酯与多元醇的反应，在无催化剂场合下，需要在70~120℃的温度

下完成。

一般来说，若其中一个组份显著过量时，可采用70~90℃反应，如合成

CPU预聚物。

若异氰酸酯与多元醇的量比（即异氰酸酯指数）接近1时，反应

后期的温度要提高到100~120℃，使-NCO基反应完全，以生成贮存稳定的产品，

MPU生胶和TPU就是这种情况。

2.2合成方法

聚氨酯弹性体按其合成工艺过程可分为一步法和两步法。

后者又称作预聚物

法，且还可细分为预聚物法和半预聚物法。

2.2.1预聚物法

预聚物法是先将低聚物多元醇和二异氰酸酯在一定条件下合成预聚物。

然后

再将预聚物和扩链剂混合浇筑而成型的方法。

TDI型CPU弹性体制品大都采用

此法生产。

采用预聚物法工艺可得到结构比较规整的PU弹性体。