有机硅聚氨酯的制备和性能研究

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传统聚氨酯材料的发展可以追溯到20世纪40年代,在过去的几十年中,对聚氨酯的研究已经比较成熟,聚氨酯材料凭借优异的机械性能和耐磨性等优点获得了广泛的应用。但是因为其耐水性和耐候性不佳,从而限制了其在某些领域的应用。有机聚硅氧烷独特的结构使其拥有优异的耐高低温、耐候性和透气性等性能。本论文研究将聚硅氧烷的优势性能和聚氨酯优异的机械性能结合制备二者兼备的聚硅氧烷-聚氨酯弹性体和聚硅氧烷-聚氨酯泡沫,并对其性能进行研究。1.在聚硅氧烷大分子二醇完全取代聚醚或聚酯作为聚氨酯弹性体软链段的基础上,使用二硅氧烷二醇完全取代碳系二醇作为扩链剂制备聚硅氧烷-聚氨酯弹性体材料。首先使用1,3-双(乙烯基)-四甲基二硅氧烷和2-巯基乙醇通过巯烯点击反应制备了 1,3-双(羟基乙硫醚基乙基)-四甲基二硅氧烷,以这种二硅氧烷作为扩链剂,α,ω-双(羟基乙氧基丙基)聚二甲基硅氧烷作为软链段和4,4’-亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)反应,制备新型聚硅氧烷-聚氨酯弹性体。并用热失重分析(TGA)、示差扫描量热分析(DSC)、动态力学分析(DMA)、扫描电子显微镜分析(SEM)、X射线衍射(XRD)和机械性能分析表征弹性体。机械性能分析表明聚硅氧烷的分子量和硬段含量对聚氨酯弹性体的拉伸强度和断裂伸长率等机械性能影响很大,弹性体最高拉伸强度达到22MPa,最大断裂伸长率达到1350%。DSC和XRD结果表明扩链剂中硫醚键(-C-S-C-)和二硅氧烷结构使弹性体部分结晶,弹性体的应力应变曲线呈现出塑性变形特点,存在屈服现象,极大地提升了弹性体的断裂伸长率。SEM结果表明采用高分子量软链段制备的弹性体,微相分离尖锐,低分子量软链段制备的弹性体,微相分离温和而明显,岛相分布稀疏,机械性能优异。随着软链段分子量的提高,弹性体岛相的分布密度剧烈上涨,表明硬相与软相很难发生溶合,缺少硬相与软相溶合的缓和区域,应力很难在硬相与软相之间传导,表现在宏观性能上是力学强度和断裂伸长率都变差。结合弹性体的微观形貌和宏观机械性能可以认为,硅氧烷扩链剂和硫醚键的引入改善了硬相与软相的相容性,缓和了硬相与软相之间尖锐的相分离,温和的微相分离有利于弹性体的机械性能。2.以巯丙基环体混合物、八甲基环四硅氧烷(D4)和六甲基二硅氧烷(MM)为原料制备了侧链巯丙基聚硅氧烷,这种聚硅氧烷与端基烯丙基基聚醚通过巯烯点击反应制备聚醚接枝聚硅氧烷。以聚醚接枝聚硅氧烷作为发泡多元醇与异氰酸酯基化合物和化学发泡剂水作为软质泡沫发泡主要原料,通过改变以下变量,包括接枝聚合物的分子量和接枝率、化学发泡剂的用量、物理发泡剂的种类及用量等,调控气泡的产生和分布,制备了一系列密度可控(0.055~0.224g/cm3)、机械性能优异的软质聚硅氧烷-聚氨酯开孔泡沫。通过机械性能分析和表观密度分析对产物进行详细的表征。在保证多元醇的当量值(当量值=分子量/官能度)符合软泡发泡多元醇的要求下,随着多元醇官能度的上升,体系交联度上升,开孔率变低,柔软度变低。表观密度表明,发泡剂和扩链剂等其它添加剂存在一个使用范围,过低不足于支撑泡沫膨胀使密度增大,过高则会破坏泡沫结构使得泡沫坍塌,在恰当的范围内可以得到低密度、柔软、回弹性体高的柔性泡沫。
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