盧春江 郭 輝,2 蔣林志 顧 蒙 于安峰 凌曉東
(1. 西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 四川綿陽(yáng) 621010; 2. 西南科技大學(xué)工程材料與結(jié)構(gòu)沖擊振動(dòng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 四川綿陽(yáng) 621010; 3. 中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院 山東青島 266000)
隨著爆炸、恐怖襲擊事件的頻發(fā),結(jié)構(gòu)的抗爆抗沖擊能力受到研究者的關(guān)注。一方面著眼于提升結(jié)構(gòu)自身的抗沖擊能力,另一方面聚焦于新型耐沖擊材料的研制,以緩解沖擊/爆炸波對(duì)結(jié)構(gòu)的損壞,并在一定程度上減少結(jié)構(gòu)碎片,保護(hù)人員及財(cái)產(chǎn)安全[1-2]。在此情況下,聚脲彈性體材料應(yīng)運(yùn)而生,它是繼高固體分涂料、水性涂料、光固化涂料和粉末涂料之后研發(fā)的一種無(wú)溶劑、無(wú)污染的環(huán)境友好型涂料[3]。聚脲具有快速固化、無(wú)流掛、優(yōu)異的物化性能、良好的熱穩(wěn)定性、性能的可調(diào)性以及耐沖擊等特點(diǎn)。此外,在隔熱、防水防腐和結(jié)構(gòu)防護(hù)等領(lǐng)域也有一定的研究和應(yīng)用[4-7]。
聚脲反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是半預(yù)聚物與胺基化合物的反應(yīng)[8]。半預(yù)聚物合成的主要是異氰酸酯基團(tuán)同羥基基團(tuán)反應(yīng)生成氨基甲酸酯基團(tuán),由于其內(nèi)聚能、空間體積較大因而一般作為聚脲分子鏈的硬段。半預(yù)聚物與擴(kuò)鏈劑反應(yīng)生成脲基基團(tuán),進(jìn)而形成脲基基團(tuán)化合物,即是聚脲??梢钥闯霭奉悢U(kuò)鏈劑會(huì)極大影響聚脲的性能。王玉杰[9]選用二乙基甲苯二胺(DETDA,簡(jiǎn)稱E100)、二甲硫基甲苯二胺(DMTDA,簡(jiǎn)稱E300)和4,4-雙仲丁氨基二苯甲烷(W6200)作為擴(kuò)鏈劑,通過(guò)調(diào)整擴(kuò)鏈劑的種類和比例合成綜合性能優(yōu)異的涂層,研究表明,當(dāng)E100與W6200質(zhì)量比為5∶2時(shí)涂層表現(xiàn)出良好的拉伸性能、附著力以及流平狀態(tài),其綜合性能更優(yōu)異。黃微波、邸春陽(yáng)[10-11]對(duì)比E100,E300及N,N’-二烷基甲基二胺(DBMDA) 3種胺類擴(kuò)鏈劑對(duì)聚脲性能的影響,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),利用E100合成的聚脲涂層具有反應(yīng)速度快、拉伸強(qiáng)度高的特點(diǎn),并提出擴(kuò)鏈劑組合使用可以提高聚脲性能。此外,陳偕偉[12]和羅學(xué)禹[13]分析了擴(kuò)鏈劑對(duì)聚脲彈性體導(dǎo)熱率、耐熱性的影響。綜上所述,擴(kuò)鏈劑種類及比例會(huì)影響同NCO基團(tuán)的反應(yīng)活性,并會(huì)顯著影響聚脲彈性體拉伸性能、導(dǎo)電及耐熱等性能。
為揭示聚脲/聚氨酯等高聚物材料在動(dòng)態(tài)加載下的耗能機(jī)理和變形特征,袁鳳[14]從試驗(yàn)頻率、壓力的角度分析了沖擊荷載下聚氨酯玻璃化轉(zhuǎn)變機(jī)制和吸能機(jī)制。研究表明,聚氨酯等高聚物材料在沖擊荷載下易發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變(由橡膠態(tài)向玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變),并發(fā)現(xiàn)其耗能主要表現(xiàn)為玻璃化轉(zhuǎn)變時(shí)產(chǎn)生的“內(nèi)耗”,外部的能量主要被用于克服內(nèi)摩擦,這體現(xiàn)了聚脲或聚氨酯材料在耗能上的優(yōu)勢(shì)。基于此,聚脲涂層材料被廣泛運(yùn)用于結(jié)構(gòu)防護(hù)領(lǐng)域[15-18]。聚脲涂層材料在沖擊過(guò)程易發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變消耗能量,在一定程度上提升結(jié)構(gòu)防護(hù)能力,能有效減少因沖擊造成的結(jié)構(gòu)碎屑,為結(jié)構(gòu)防護(hù)設(shè)計(jì)提供了新的思路。
為合成一種適用性強(qiáng)、耐沖擊、防爆性能優(yōu)良的彈性體涂層,本文利用半預(yù)聚體法合成A組分半預(yù)聚體,調(diào)整擴(kuò)鏈劑比例合成3種B組分胺基化合物,并利用高壓噴涂機(jī)制備噴涂型聚脲彈性體涂層材料(SPUA),分析了異氰酸酯指數(shù)及胺類擴(kuò)鏈劑比例對(duì)聚脲彈性體性能的影響。
4,4-二苯甲烷二異氰酸酯(MDI-50,分析純,Mn=250);聚丙二醇(PPG,分析純,Mn=2000);聚醚多胺(T-5000,Mn=2000,D-2000,Mn=5000,分析純);3,5-二乙基甲苯二胺(E100,分析純,Mn=89.15);4,4-雙仲丁氨基二苯基甲烷(W6200,分析純,Mn=155);助劑主要包括消泡劑、流平劑、偶聯(lián)劑、分散劑和抗氧化劑。
聚脲是逐步聚合反應(yīng)形成的一種熱固性彈性體材料,本文采用半預(yù)聚物法合成聚脲彈性體。為獲得性能優(yōu)異的耐沖擊型聚脲彈性體涂層,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研[9-11]將NCO含量設(shè)計(jì)為15.0%~15.5%。此外,由于異氰酸酯的濕氣敏感性,在聚脲的合成與制備過(guò)程中需注意原料含水率及儀器的干燥狀況。
1.2.1 A組分(異氰酸酯)合成
將45份(質(zhì)量份數(shù))多元醇PPG-2000在90~100 ℃內(nèi)真空脫水約5 h,使含水率≤0.05%,在氮?dú)猸h(huán)境下將已脫水的多元醇在80±2 ℃下與55份MDI-50保溫反應(yīng)2~3 h形成半預(yù)聚體。根據(jù)GB/T 12009.4[19]測(cè)定其NCO含量,當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)值停止反應(yīng),通氮?dú)獗4妗?/p>
1.2.2 B組分(胺基)合成
將端氨基聚醚、胺類擴(kuò)鏈劑和助劑在高速分散機(jī)內(nèi)攪拌均勻,并在反應(yīng)釜內(nèi)真空脫水2~3 h,當(dāng)其含水率 ≤0.05% 時(shí)出料,通氮?dú)獗4妗?/p>
為分析胺類擴(kuò)鏈劑對(duì)噴涂聚脲彈性體(SPUA)涂層固化性能、拉伸性能、撕裂及硬度性能的影響,基于文獻(xiàn)調(diào)研[9-13],將端氨基聚醚D-2000與T-5000的質(zhì)量比設(shè)計(jì)為9∶1,胺基擴(kuò)鏈劑E100與W6200的質(zhì)量比分別為5∶2,1.6∶1和2∶3。
1.2.3 聚脲涂層的制備
利用京華派克公司JHPK-DD3型高壓噴涂機(jī)制備聚脲彈性體涂層材料。該設(shè)備能實(shí)現(xiàn)A,B組分在高溫(65~75 ℃)、高壓條件下的對(duì)撞式等比例混合,調(diào)整噴涂流量能獲得良好的霧化效果及涂層性能。
噴涂至聚四氟乙烯板上形成厚約2±0.2 mm聚脲涂層,并在溫度232 ℃、相對(duì)濕度50%±5% 的條件下養(yǎng)護(hù)7 d。
利用全自動(dòng)微量水分測(cè)定儀(型號(hào):BYES-2000,邦億精密量?jī)x有限公司)測(cè)試原料含水率;利用數(shù)字黏度計(jì)(型號(hào):NDJ-8S,廣州攜恒儀器設(shè)備有限公司)測(cè)得A,B組分黏度指標(biāo);利用手動(dòng)式涂層附著力測(cè)試儀(型號(hào):ZPTC-10S,石家莊卓普科技有限公司)對(duì)噴涂至混凝土和金屬板材表面的聚脲涂層附著力進(jìn)行測(cè)試;利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(型號(hào):ETM-504D,深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司)測(cè)試涂層的拉伸及撕裂性能;利用指針邵A硬度計(jì)(型號(hào):LX-A-2)獲得涂層硬度指標(biāo)。
異氰酸酯指數(shù)是聚脲涂層配方設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要參數(shù)之一,它是指NCO基團(tuán)與NH2或NH 基團(tuán)的當(dāng)量比,反映了異氰酸酯基團(tuán)的過(guò)量程度。
(1)
為探索異氰酸酯指數(shù)對(duì)涂層性能的影響規(guī)律,本文以端氨基聚醚比例9∶1、胺類擴(kuò)鏈劑比例5∶2設(shè)計(jì)合成了NCO含量為15.5%、異氰酸酯指數(shù)分別為0.95,1.00和1.05的3種聚脲涂層(分別對(duì)應(yīng)于配方1#、配方2#、配方3#),并對(duì)其基本性能進(jìn)行測(cè)定,測(cè)定結(jié)果如表1所示。
表1 異氰酸酯指數(shù)對(duì)聚脲涂層性能的影響Table 1 Influence of isocyanate index on performance of polyurea coating
經(jīng)試驗(yàn)研究及對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),異氰酸酯指數(shù)α越大時(shí),A組分中NCO基團(tuán)越多,其與B組分反應(yīng)速度會(huì)增快,表干時(shí)間依次降低。當(dāng)α=1.00時(shí),配方2# 涂層表現(xiàn)出高硬度、優(yōu)異的拉伸和撕裂性能。
聚脲反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是NCO基團(tuán)同胺類擴(kuò)鏈劑NH2的化合反應(yīng),而異氰酸酯指數(shù)的變化會(huì)影響B(tài)組分活潑氫的數(shù)量。由表1可知,異氰酸酯指數(shù)α=1.05 時(shí)涂層拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都處在較低的水平。
本文后續(xù)涂層設(shè)計(jì)合成及分析都以α=1.00為基礎(chǔ)進(jìn)行。
2.2.1 黏度及表觀形態(tài)
為探究胺類擴(kuò)鏈劑比例對(duì)聚脲涂層材料的影響規(guī)律,本節(jié)在2.1節(jié)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)合成了端氨基聚醚質(zhì)量比為9∶1、胺類擴(kuò)鏈劑質(zhì)量比分別為1.6∶1和2∶3的聚脲涂層材料,分別記為配方4# 和配方5#。圖1是A,B組分黏度隨溫度變化圖。
圖1 A,B組分黏度-溫度圖Fig.1 Viscosity-temperature diagram of component A and B
由圖1可知,A組分黏度整體上較B組分黏度值偏大,并均隨著溫度的升高而降低。在室溫(約25 ℃)條件下,兩組分黏度在300~400 MPa·s之間,當(dāng)溫度增加時(shí),黏度均呈對(duì)數(shù)式降低,也表明了其流動(dòng)性能得到改善。當(dāng)溫度為65 ℃ 時(shí),A,B組分黏度數(shù)值在100 MPa·s以內(nèi),且兩者相差不大,這能為均勻混合提供良好條件,也表明了胺類擴(kuò)鏈劑比例對(duì)黏度影響不大。
不同胺類擴(kuò)鏈劑合成的聚脲彈性體密度與水相近。配方2# 、配方4#、 配方5# 的密度分別為:0.95,1.01, 0.98 g·mL-1。E100的增加使得涂層硬度高,而W6200則降低了反應(yīng)速度,使得涂層顯示出硬度低、質(zhì)軟的特點(diǎn),因而配方2# 和配方4# 呈現(xiàn)出偏硬、光亮的表面狀態(tài),配方5# 表現(xiàn)為固化長(zhǎng)、軟質(zhì)、黏手的表觀狀態(tài)。
2.2.2 固化時(shí)間
固化時(shí)間主要包括凝膠時(shí)間和表干時(shí)間。凝膠時(shí)間是A,B組分從開(kāi)始混合起到凝固為止的時(shí)間(從液體流動(dòng)狀態(tài)到凝固狀態(tài)的時(shí)間);表干時(shí)間是指兩組分混合后涂層表面不黏絲、有初始強(qiáng)度的時(shí)間。本文將A組分預(yù)聚物和B組分胺基化合物以體積比1∶1混合,獲得如表2所示聚脲彈性體涂層的凝膠時(shí)間和表干時(shí)間。
表2 不同胺基擴(kuò)鏈劑比例聚脲涂層的固化時(shí)間Table 2 Curing time of polyurea coatings with different amine chain extender ratios
由表2可知,隨著E100用量的減少,仲胺基基團(tuán)數(shù)量減少,使得涂層的凝膠時(shí)間和表干時(shí)間均增加。這主要是因?yàn)槠浞肿咏Y(jié)構(gòu)中存在著與異氰酸酯基團(tuán)快速反應(yīng)的仲胺基基團(tuán)(NH2)。此外,W6200結(jié)構(gòu)中含有空間位阻結(jié)構(gòu),能有效降低反應(yīng)速度,延長(zhǎng)固化時(shí)間,能幫助涂層獲得良好的表觀狀態(tài)和基材的浸潤(rùn)能力。配方5# 固化時(shí)間偏長(zhǎng)。
2.2.3 涂層附著力
為充分發(fā)揮聚脲涂層材料在結(jié)構(gòu)防護(hù)上的優(yōu)勢(shì),減少因沖擊造成聚脲涂層材料“脫落”現(xiàn)象[20],本文添加了含氨基的硅烷類偶聯(lián)劑(KH-550),該偶聯(lián)劑能與無(wú)機(jī)基材形成共價(jià)鍵以增強(qiáng)涂層同基材的附著力[21]。另外,在噴涂前清除基材表面油污和松散物質(zhì),并填補(bǔ)表面空隙缺陷,使用120目砂紙打磨基材表面后涂刷環(huán)氧類封閉底漆。
為探究胺類擴(kuò)鏈劑對(duì)聚脲涂層材料附著力的影響規(guī)律,利用高壓噴涂機(jī)噴涂制備聚脲涂覆混凝土和金屬的復(fù)合材料,在混凝土和金屬表面形成厚度2±0.2 mm的薄膜,依據(jù)GB/T 5210[22]拉開(kāi)法獲得不同基材的附著力指標(biāo),如表3所示。
表3 聚脲涂層附著力(單位:MPa)Table 3 Adhesion of polyurea coating(unit:MPa)
從表3可以看出,配方5# 的附著力較為優(yōu)異,即:隨著W6200的增加,彈性體涂層同混凝土、鋁板和鋼板間的附著力增加??赡艿脑蛟谟谄浣Y(jié)構(gòu)中有強(qiáng)位阻結(jié)構(gòu),能減緩反應(yīng)速度,增加涂層同基材表面的浸潤(rùn)能力,以此增加涂層同基材的附著力。而配方2# 和配方4# 則由于反應(yīng)速度較快,固化時(shí)間較短,對(duì)基材的浸潤(rùn)不充分,使得涂層同基材附著力欠佳。
2.2.4 力學(xué)性能
依據(jù)規(guī)范GB/T 528[23]及GB/T 529[24]制備1A型啞鈴狀拉伸試件及直角褲型撕裂試件,并利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試聚脲彈性體涂層材料的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及撕裂強(qiáng)度。擴(kuò)鏈劑比例對(duì)聚脲彈性體力學(xué)性能的影響如表4所示。
表4 胺基擴(kuò)鏈劑對(duì)力學(xué)性能的影響Table 4 Influence of amino chain extender on mechanical properties
由表4可知,當(dāng)擴(kuò)鏈劑質(zhì)量比為1.6∶1時(shí)(配方4#),聚脲彈性體呈現(xiàn)出高硬度、高拉伸強(qiáng)度及高撕裂強(qiáng)度的特點(diǎn)。配方2# 中B組分活化氫數(shù)量多,因而在A,B組分混合反應(yīng)時(shí)可能形成脲基和未參與反應(yīng)活化氫化合物的混合物,故強(qiáng)度較低。配方5# 中W6200數(shù)量最多,位阻效應(yīng)明顯,凝膠時(shí)間和表干時(shí)間均較長(zhǎng),因而涂層表現(xiàn)出硬度低的特點(diǎn)。
綜上所述,擴(kuò)鏈劑質(zhì)量比為1.6∶1時(shí),A,B組分能快速充分反應(yīng),固化性能良好,成膜光亮,拉伸強(qiáng)度(≥20 MPa)、斷裂伸長(zhǎng)率(≥480%)和撕裂強(qiáng)度(≥70 N/mm)均能保持較高水平。
2.2.5 不同應(yīng)變率下的拉伸性能
為測(cè)試不同應(yīng)變率下聚脲彈性體的拉伸性能,本文利用微機(jī)控制試驗(yàn)機(jī)和霍普金森拉桿裝置測(cè)試聚脲彈性體在準(zhǔn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)下的拉伸性能。
(1)準(zhǔn)靜態(tài)拉伸性能
聚脲彈性體應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2可知,在同一應(yīng)變率下,不同擴(kuò)鏈劑比例聚脲涂層材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均呈現(xiàn)出非線性大變形特征和應(yīng)變率敏感性。拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率隨著應(yīng)變率的增加而遞增,表現(xiàn)出應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)。
圖2 聚脲彈性體應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of polyurea elastomer
材料的力學(xué)行為在一定程度上反應(yīng)了內(nèi)部結(jié)構(gòu)和分子的運(yùn)動(dòng)[25-26]。在拉伸初期,以鏈角等小單元的運(yùn)動(dòng)為主,而鏈角運(yùn)動(dòng)范圍有限,因而宏觀上應(yīng)力、應(yīng)變?cè)谳^低的水平緩慢增長(zhǎng)。隨著拉伸持續(xù)進(jìn)行,鏈角的運(yùn)動(dòng)受到限制,轉(zhuǎn)而由分子鏈中較長(zhǎng)的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng),這也使得在應(yīng)力-應(yīng)變曲線上表現(xiàn)出應(yīng)力變化不大而應(yīng)變顯著增加的現(xiàn)象。最后,當(dāng)鏈段或鏈角的運(yùn)動(dòng)均受到限制時(shí),彈性體的變形增量會(huì)顯著減小,而應(yīng)力則顯著增加。
(2)動(dòng)態(tài)拉伸性能
聚脲彈性體的動(dòng)態(tài)拉伸利用20 mm霍普金森拉桿裝置(SHTB)開(kāi)展。該裝置測(cè)試須滿足兩條假設(shè):第一,一維應(yīng)力波假定,即認(rèn)為波的傳播是一維的,且波導(dǎo)桿始終是平面;第二,應(yīng)力均勻性假定,即應(yīng)力、應(yīng)變是沿桿軸向均勻變化的。本文裝置波導(dǎo)桿長(zhǎng)徑比>20,近似認(rèn)為波沿桿軸向傳播,能滿足波的一維傳播[27-28],且利用橡膠片整形器濾掉高頻拉伸波分量,增加入射波上升沿升時(shí),進(jìn)一步確保聚脲彈性體材料的應(yīng)力均勻性。不同擴(kuò)鏈劑比例下動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。
從圖3可以看出,3種胺基擴(kuò)鏈劑比例的聚脲涂層均呈現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng),隨著應(yīng)變率的增加,發(fā)生變形,相應(yīng)峰值應(yīng)力也增加。與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸相比,由于動(dòng)態(tài)拉伸過(guò)程中較高的應(yīng)變率使得聚脲鏈角來(lái)不及伸展、運(yùn)動(dòng),因此在拉伸初期聚脲涂層材料變形量較小,而應(yīng)力顯著增加,這也反映了聚脲在高速拉伸狀態(tài)下的變形能力。
圖3 不同擴(kuò)鏈劑比例下動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Dynamic tensile stress-strain curves of different amine ratios
綜合分析準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以發(fā)現(xiàn),聚脲彈性體材料隨著拉伸速率的增加呈現(xiàn)出由大變形橡膠態(tài)向小變形玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)變,這反映了加載速率對(duì)聚脲彈性體形變的影響。從微觀角度來(lái)分析,聚脲內(nèi)部的鏈段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)或停止即對(duì)應(yīng)聚脲的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度,這種玻璃化轉(zhuǎn)變與實(shí)驗(yàn)頻率有緊密關(guān)聯(lián)[14,18],表現(xiàn)在高速拉伸時(shí),聚脲彈性體主要以支鏈、鏈角的運(yùn)動(dòng)為主,因而表現(xiàn)出小變形、類玻璃態(tài)的脆性性質(zhì)。
可以發(fā)現(xiàn),胺基擴(kuò)鏈劑質(zhì)量比為1.6∶1和5∶2的聚脲材料均表現(xiàn)出相對(duì)較高的拉伸強(qiáng)度,而胺基質(zhì)量比為2∶3的彈性體則表現(xiàn)出相對(duì)易發(fā)生形變和伸長(zhǎng)率較低的特點(diǎn),這與準(zhǔn)靜態(tài)拉伸下的表現(xiàn)一致。
(1)當(dāng)異氰酸酯指數(shù)為1.00時(shí),A和B組分能充分反應(yīng),聚脲具有優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度和適中的反應(yīng)速度。
(2)端氨基聚醚質(zhì)量比為9∶1、胺基質(zhì)量比為1.6∶1 時(shí),制備的聚脲彈性體涂層固化時(shí)間適中、拉伸強(qiáng)度不低于 20 MPa、硬度 94 A、斷裂伸長(zhǎng)率不低于480%,具有潛在的工程應(yīng)用前景。
(3)聚脲彈性體在準(zhǔn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)拉伸時(shí)均呈現(xiàn)出非線性變形特征和應(yīng)變率效應(yīng),表現(xiàn)出優(yōu)異的變形能力,可為聚脲彈性體涂層材料的耐沖擊、防爆工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論支撐。