众所周知,汽车轮胎的三大行驶性能---------低的滚动阻力、高的抗湿滑性能和耐磨性能这三者之间存在着相互制约、难以兼顾的矛盾,尤其是滚动阻力和抗湿滑性能之间的几乎不可调和的矛盾是长期困扰轮胎工业的老大难问题。而浇注性聚氨酯弹性体(CPUE)由于具有高弹性、耐磨、耐油、耐撕裂、耐化学腐蚀、耐射线辐射、黏合性好、吸震能力强等优良性能,在许多工业领域得到了广泛应用。且随着聚氨酯技术进展、应用领域不断扩大,聚氨酯已经发展成为世界上六大合成材料之一。它是一类能依据某种交联方法(链增长或交联,或者兼有两种作用)用泵计量输送(温度在100℃时,粘度为1500泊以下)注入模具来制造弹性制品的聚合物。与橡胶材料相比,PUE具有硬度可调节范围宽(邵A10～邵D85)、耐腐蚀、耐磨、耐低温、耐油等特性;又因为它的液体橡胶特性,还具有生产工艺简单、能耗小、生产自动化程度高等优点。随着国民经济的飞速发展,性能优异的CPUE材料制品倍受青睐,并在逐步替代许多特种橡胶制品,尤其是一些使用性能要求苛刻的制品,如坦克履带推进装置中的履带衬胶、负重轮挂胶、以及各种轮胎、胶轮、胶辊、减震材料和医用心血管材料等。而为了能够将具有高耐磨性的液体橡胶聚氨酯弹性体用于轮胎胎面,实现CPUE胎面三大行驶性能的优化平衡,本论文以聚己内酯(PCL)—甲苯二异氰酸酯(TDI)配方体系为模型,在研究体系中引入耐热和动态力学性能的影响因素以观察各种有关的相关关系,并综合分析和研究这些相关性,建立聚氨酯弹性体的分子组成——超分子结构——聚氨酯弹性体的性能和特性之间的相关关系。主要包括:在两种基本扩链剂体系中采用不同分子量、不同硬段含量时的力学性能、内部结构、超分子微区结构、耐热性能和动态性能的研究。然后针对聚氨酯弹性体在高温、高承载及交变应力等苛刻使用条件下的性能要求,对组成聚氨酯弹性体的三个主要成分软段多元醇、二异氰酸酯及扩链剂与材料各项性能的关系进行了系统研究,此外探索了纳米材料对聚氨酯弹性体性能的改进及其机理,在聚氨酯弹性体分子组成和内部结构与材料耐热性能和动态力学性能之间的相关关系基础上,基于胎面用高分子材料设计的思路提出“集成聚氨酯弹性体”概念。开展了集成聚氨酯弹性体的分子设计和结构设计的研究,使集成聚氨酯弹性体的动态力学性能具有良好的滚动阻力、抗湿滑性、耐磨损性和内生热性四个性能之间的综合平衡。因此“集成聚氨酯弹性体”概念的提出以及相关合成探索实验的结果验证,为高速轮胎胎面用高性能浇注型聚氨酯弹性体的分子设计和结构设计提供了应用理论基础。本论文的研究内容:①系统地研究了软段种类及分子量、异氰酸酯品种及含量、醇/胺扩链剂品种及复配比例分别对CPUE的力学性能、高温强度、动态力学性能及材料结晶性的影响作用,建立了其分子结构与应用性能之间的关系,并综合分析了其分子组成、微观结构与材料耐热性能和动态力学性能之间的相互制约机制;②通过HTPB/IPDI体系聚氨酯弹性体微相形貌和固化流变性关系的研究,提出了“聚氨酯软段和硬段的热力学不相容性、反应流变性和软硬链段的运动能力是决定嵌段聚氨酯微观结构的三个因素,而且需要结合实际情况分析其中哪一个会成为主导因素”的观点;③对纳米填料改进聚氨酯弹性体材料的性能进行了实验研究,发现其改善程度与纳米填料的表面性质及软段多元醇的种类有关联。亲水性的AEROSIL 200和疏水性的AEROSIL R972两种纳米SiO2在不同体系的CPUE中分散性和稳定性存在差异,AEROSIL 200在聚己内酯(PCL)体系中具有较好的分散性、稳定性和补强效果,而在PTMG中的分散性和稳定性均较差,甚至有超过μm级的团聚体的存在;AEROSIL R972在PCL和PTMG两种体系的CPUE中均有较好的分散性、稳定性。其中PCL体系的CPUE材料中两种纳米SiO2均有显著的增强、增韧和提高材料高温使用性能的作用,其中含AEROSIL 200的PCL体系CPUE的100℃拉伸强度和撕裂强度分别比纯PCL体系CPUE对比样提高1.84和1.13倍;而含AEROSIL R972的PCL体系CPUE的100℃拉伸强度和撕裂强度分别比纯PCL体系CPUE对比样提高1.78和2.13倍。④研究了传统硫化橡胶与CPUE液体橡胶在分子结构上的不同,同时探寻了导致传统硫化橡胶与CPUE液体橡胶在力学性能及动态性能上差异的内在因素,提出了“集成聚氨酯弹性体”的研究思路,并根据理论指导合成了多元配方体系CPU,其力学性能基本上可以满足本研究预定的设计指标要求,三元和四元多元配方体系在性能上兼备了各单元体系的优点,克服了各单元体系的缺点,使力学性能各指标之间有一个最佳的综合平衡,实现了力学性能的优化。⑤通过集成CPUE的初步探索,在材料的三大性能上取得突破,即⑴CPUE的初始模量可大幅度降低至通用硫化橡胶的水平;⑵CPUE的Tg可降低到通用硫化橡胶水平;⑶在50～100℃温度段CPUE的tanδ可低于通用橡胶,使CPUE具有低的内生热和低的滚动阻力。