维普资讯 http://www.cqvip.com 2008年5月第17卷第5期 Vo1.1 7 No.5,May.2008 中国胶粘剂 CHINA ADHESIVES 有机硅/丁二醇扩链剂混合比对混合大二醇基 聚氨酯弹性体的性能影响 王云芳,郭增昌,王汝敏 (两北上业大学应用化学系,_块两西安 710072) 摘要:以OL, 一双( 一羟丙基)聚二甲基硅氧烷(BHPDMS)和聚氧四甲基二醇(PHMO)混合大二醇为软链 段;以1,4一丁二醇(BDO)为主要扩链齐lj,1,3一双(4一羟丁基)一1,1,3,3一四甲基二硅氧烷(BHTD)为次级扩链 剂,所有试样中硬链段均由4,4"-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)和混合扩链剂所构成,且 (硬链段)=4O%; 采用两步溶液聚合法制备混合大二醇基芳香聚氨酯(PU)弹性体。通过力学性能测试、差示扫描量热法 (DSC)和动力学热分析法(DMTA),研究了混合扩链剂中n(BDO)/n(BHTD)比值对该PU弹性体性能的影 响。结果表明,当n(BDO):n(BHTD):3:2时,所得PU弹性体具有优异的综合性能;引入BHTD扩链剂后,破 坏了硬链段的有序性。 关键词:羟烃基聚二甲基硅氧烷;聚氧四甲基二醇;1,3一双(4一羟丁基)一1,1,3,3一四甲基二硅氧烷;聚氨 酯;弹性体;扩链剂 中图分类号:TQ314.22 文献标识码:A 文章编号:1004—2849(2008)05—001 1~04 0前 言 聚氨酯(PU)是发展最怏的高分子材料之一,它 由二异氰酸酯和多元醇为基本原料聚合而成,具有 能。Martin[61、Simmons171等用 , 一双( 一羟丙基)聚二 甲基硅氧烷(BHPDMS)和聚氧四甲基二醇(PHM0) 混合大二醇作为软链段,所制备的PU材料具有优 异的、长久的生物稳定性。而采用混合扩链剂来改 良好的耐磨性、抗撕裂性和抗曲挠性等特点,但耐 水性和热稳定性等较差,从而使其应用范围受到限 制。为此,采用不同的软链段组合可以改善PU材料 变软相(PDMS)和硬相问相容性的相关研究报道则 很少【8】,为此,本文选用有机硅1,3一双(4一羟丁基)一 的相关性能l】 I,以满足不同的使用要求。通常,PU 由软链段和硬链段以嵌段、接枝或互穿聚合物网络 等方式聚合而成,软链段通常为聚醚多元醇或聚酯 多元醇,它赋予PU材料柔性和韧性;硬链段通常为 二异氰酸酯和相对分子质量较低的二元醇或二元 1,1,3,3一四甲基二硅氧烷(BHTD)与传统的1,4一 丁二醇(BDO)作为混合扩链剂,并研究了混合扩链 剂中n(BDO)/n(BHTD)比值对PU结构和性能的 影响。 胺(作扩链剂)的缩聚物,由于软链段和硬链段之间 的相容性较差,使PU呈现两相微观分离状态,正由 于两相显微结构的存在和硬链段中极性氨基甲酸 1 实验部分 1.1 实验原料 , 一X2(y-羟内基)聚二甲基硅氧烷(BHPDMS), 酯所形成的氢键作用,从而赋予PU材料强度、刚度 和高弹性。然而,PU的形态和力学性能在很大程度 Mw:920,羟值为12.07 mgKOH/g,自制;聚氧四甲基二 醇(PHMO),M =750,羟值为160mgKOH/g,工业品, Du Pont;1,3一双(4一羟丁基)一1,l,3,3一四甲基二硅 上取决于软链段的种类,通过调节软链段与硬链段 之间的比例、软链段的结构,可获得性能各异的PU 材料。 氧烷(BHTD),Mw=278.54,化学纯,北京丰特斯化工 材料有限公司;l,4一丁二醇(BDO),工业品,上海吴 改变PU分子中软链段的组成可以改变软链段 和硬链段之间的相容性I51,进而改变PU材料的性 收稿日期:2008—02—14;修回日期:2008—02-28。 化化 [有限公司;4,4,_二苯基甲烷二异氰酸酯(纯 MDI),化学纯,巴斯夫;二甲基甲酰胺(DMAC),化 基金项目:陕西省自然科学基金(2003E ̄19)。 . 作者简介:王云芳(1962一),女,陕西咸阳人.副教授.在读博士,主要从事高性能杂化材料的研究。E-mail:wangyunfang62@126.COIll 维普资讯 http://www.cqvip.com 一12一 中国胶粘剂 第17卷第5期 学纯,Du Pont;四氢呋喃(THF),化学纯,天津试剂 二厂。 后加入到上述透明预聚物溶液中,再加热至90℃反 应3 h(采用二正丁胺法标定混合物中的一NCO含量 直至反应终点);随后迅速用聚丙烯过滤袋过滤到干 净的容器中,并迅速密封、室温保存,备用。 1.3.3 PU胶膜的制备 1_2测试仪器 Model 4032万能材料试验机,Instron公司; DSC一7型差示扫描量热仪,PE公司;DMA一7型热分 将所制备的PU溶液倒入培养皿中,于50℃真 析仪,PE公司。 1.3实验合成 1.3.1原材料预处理 BHPDMS,使用前80℃抽真 (0.1 mmHg)处胛 2 h;PHMO,使用前105 oC抽真牵(0.1 mmHg)处理 15 h;BHTD、BDO,使用前窄温抽真 (0.1 mmHg)处 理6 h;MDI,使用前真空蒸馏;DMAC、 I'HF,他川前 通过CaH回流干燥,再进行真空分馏 1.3.2 混合大二醇基PU弹性体的合成 PU扩链剂的结构和组成会影响PU弹性体的性 能,为了确定混合扩链剂中n(BHTD)/n(BDO)比值 对所合成的PU弹性体性能的影响,住所合成的PU 样品中,控制加(硬链段)=40%、加(软链段)=60%t6t, 其中软链段中m(PDMS):m(PHMO)=80:20,反应物 的配比如表l所示(为确保混合大二醇能够完全反 应,MDI过量3%)。 表1 大二醇与MDI和混合扩链剂的配比 Tab.1 Molaf ratio of maerodiol and MD1 and mixture chain extender 样品编号n(BHTD):n(BDO)n(PDMS+PHM0):n(MD1):n(BDO+BHTD) 反应前所有的反应器皿在l00 真卒f燥箱中 干燥l2 h。将计量的MDI放入装有搅拌装置、滴液 漏斗的圆底烧瓶中,通入氮气,油浴加热70 使 MDI至熔融状态,再将计量的大二醇混合物通过滴 液漏斗缓慢加入到盛有熔融MDI的烧瓶中(约40- 50 inin滴完,加入辛酸亚锡催化剂质量分数为总固 含量的0.01%),继续通人氮气并不断搅拌,使大二 醇混合物和MDI于70℃反应2 h;然后将BHTD快 速加入到上述预聚物中,升温至80℃反应30 min, 随后将反应产物冷却至室温,再加入DMAC/THF混 合溶剂,从而得到无色透明溶液(固含量约为 15%);将计量的BDO用DMAC/THF混合溶剂溶解 空干燥l5 h制成0.6-1 inn厚的薄膜,然后放人干 燥器中备用。 1.4性能测试 l4.1 力学性能测试 按照GB/T l 040—1992标准,使用万能材料试 验机进行测试。测试温度为室温20℃,拉伸速率为 500 IIIlll/min,试样尺寸为150 mmx40 mmxlO mm。 1.4.2三点弯曲试验 按照GB 8 8l2—1988标准进行测定。试样尺寸 为l20 mmx50 mm ̄25 inn,测试跨度为100 mm。 1.4.3 差示扫描量热法(DSC)分析 使用差示扫描量热仪进行分析。测试环境为氮 气,升温速率为l0 ̄/min。 1.4.4 动力学热分析法(DMTA) 使用热分析仪进行测试。试样尺寸为50 mm ̄ l0m ̄nx2inn,升温速率为2 nin,测试频率为14Hz。 2结果与讨论 2.1 混合扩链剂基PU弹性体的力学性能 为了确定有机硅基扩链剂对混合大二醇基PU 弹性体力学性能的影响,表2列出了混合扩链剂中 n(BHTD)/n(BDO)比值与混合大二醇基PU弹性体 力学性能的关系。 表2试样的力学性能 Tab.2 Mechanical properties of test sample 性能PUE-0 PUE一20 PUE--40 PUE一60 PUE一8O PUE—l0o 极限拉伸强度『MPa 17.2 17.6 14.3 11.5 9.3 5.3 断裂伸长率/% 247.5 341.6 354.6 441.5 514、1 575.7 弯曲 ̄/MPa 29.2 15.1 6.7 5.2 5.9 7.1 杨氏拉伸模量/MPa 28-4 l3-4 7.9 7.4 73 10.2 由表2可知,随混合扩链剂中有机硅BHTD含 量的增加,杨氏拉伸模量(YM)和弯曲模量(FM)明 显降低,断裂伸长率增加,而弹性体的极限拉伸强度 (UST)下降幅度不大;当BHTD含量为40%fI ̄,UST、 YM和FM达到较低值,此时,继续增加BHTD的含 量,UST、YM和FM变化不太明显,但断裂伸长率则 随之明显(呈线性)增加。分析表明,引入有机硅基扩 维普资讯 http://www.cqvip.com 笫l7卷第5期 王云芳等有机硅/丁二醇扩链剂混合比对混合大二醇基聚氨酯弹性体的性能影响 一13一 链剂,可使PU弹性体的柔性显著增加,对极限拉仲 强度影响不大。 2.2混合扩链剂基PU弹性体的热分析 不同BHTD含量的混合大二醇基PU弹性体试 样的DSC分析如图1所示。由图1可知,对不含 BHTD的PUE一0试样,在142.3℃处出现的吸热峰 是硬链段的熔融吸热峰;引入BHTD扩链剂后,最 明显的变化就是在50-65℃之间和88℃附近出现 两个吸热峰,随着混合扩链剂中BHTD含量的增 加,硬链段的熔融吸热峰向低温偏移,且吸热峰高度 逐渐降低直至消失;当扩链剂完全变为BHTD时, 硬链段的熔融温度降至54.4℃。 。∞ 斌 60-40-20 U _2u 40 60 80 loU l_2u l40 l60 l踟2oU 220 温度/ ̄C 图1 不同BHTD含量的硅基大二醇PU的DSC曲线 Fig 1 DSC curve of silicon—based macrodilo PU with various BHTD content 对于PUE一0试样,其硬链段为MDI—BDO— MDI;对于PUE一100试样,其硬链段为MDI—BHTD— MDI;对于混合扩链剂的PUE试样而言,硬链段主 要为MDI—BHTD~MDI和MDI—BHTD—MDI—BDO— MDI,其熔融温度在54.4-142.3℃之问,硬链段熔融 吸热峰温度随着BHTD含量的增加逐渐向低温偏 移。 综上所述,用BHTD作部分扩链剂,能增加软 链段和硬链段之问的相容性,而且当BHTD含量为 40%时,PUE弹性体的综合力学性能最优。 2.3 混合扩链剂基PU弹性体的DMTA 混合扩链剂中不同BHTD含量的混合大二醇 基PU弹性体试样的DMTA测试结果如图2所示。 由储能模量(E )与温度的关系图谱(图2)可以 看出,在20~40℃温度范围内,所有试样的储能模量 明显降低,但PUE一0参考试样的储能模量降低幅度 不大;低于室温时,这些材料的储能模量存在着一定 的差异,在所有混合扩链剂弹性体样品中,PUE一20 的低温模量最低,表明引入的BHTD扩链剂能显著 温度Fc 图2不同BHTD含量的硅基大二醇PU的DMTA曲线 Fig.2 DMTA cun e ofsillcon-based macrodilo PU with various BHTD content 降低材料的模量。从图2的损耗角正切tan 6与温度 的关系图谱中可知,损耗峰的强度和位置与扩链剂 的组成有关。在10 ̄60℃范围内出现的损耗峰是由 于在硬链段和软链段界面存在非晶态的界面区域所 致18]。PUE一80和PUE一0弹性体的最大内耗温度分别 为10-3℃和31.2℃,其它弹性体的最大内耗峰温度 介于两者之间,PUE一40弹性体的内耗峰最高。分析 DMTA测试结果表明,当混合扩链剂中BHTD含量 为40%时,硬链段相界面的非晶态区域增加,使相 混合程度显著增加,致使材料的综合力学性能提高。 3结论 选用PDMS和PHMO作为PU材料的软链段(即 混合大二醇),混合软链段中m(PDMS):m(P} O)=4:1, W(硬链段)---40%。当混合扩链剂中n(BDO):n(BHTD) 为3:2时,采用两步本体溶液聚合法合成出的混合 大二醇基PU弹性体(PUE一40)表现出优异的综合 力学性能,其极限拉伸强度变化不大,模量显著降 低;另外,PUE一40试样的透明性好,表明该试样中 发生的微观相分离程度较小,对光的散射性好。 参考文献 [1】 MITSUHIRO SHIBAYAMA,MASAKATSU SUETSUG U, SHINICHI AKURAI.et .Structure characterization of polyurethanes containing poly(dimethylsiloxane)【JJ.Macro— molecules,1991,24(23):6 254—6 262. 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(dimethyl siloxane)[J1.Polymer,1 994 35(3):532—539. 【7 J SIMMONS A,HYVARINEN J,ODELL R A,et a1.Long— [5] ADHIKARI R,GUNATILLAKE P A,MCCARTHY S J. ternl in vivo hiostahility ofpoty(dimethylsiloxane)/poly(hex— et(11.Mixed macrodiol—based siloxane polyurethanes:Effect amethvlene oxide)mixed macrodiol-based polyurethane elas— of the comaerodiol structure on properties and morphology tomes[J].Biomateriats,2004,25(20):4 887—4 900. 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Keywords:hydroxyalkylpolydilnethylsiloxane;poly(hexamethylene0xide);1,3一bis(4一hydroxybuty1)tetram— ethyldisiloxane;polyurethanes;elastomer;chain extender (上接第10页) Study on catalyst used to synthesis of polyester polyol CA 0 Qi・母ng,ZHU Chang-chun2,SONG Wen—sheng.TANG Ya・fl (1.College of Chemical Engineering and Pharmaceutics,Henan University of Science and Technology,Luoyang 471003,China;2.Luoyang Jiming Chemical Industry Co.,Ltd.,Luoyang 471012,China) Abstract:With phthalic anhydride,adipic acid and 2一methyl一1,3一propanediol as materials.the polyester polyol was synthesized by the mostly same reaction condition and different catalyst whith can respectively be Sb2(EG)3, Sb20s,Zn(Ac)2,TBT and Tfrr.The research result showed that TPrr was a most proper catalyst in the reacti0n svs tern.The synthesis reaction will get more difficult with increase of theoretic molecular weight for polyester polyol, so the catalyst content should be increased in proportion,but mass fraction of catalyst can t exceed 0.04%. Keywords:polyester polyol;catalyst;application