工程隔振用聚氨酯微孔彈性體的研制*

郭浩 孫方遒 丁德云 姜志國(guó) 邱北斌 姚明

(1.北京九州一軌環(huán)境科技股份有限公司國(guó)家環(huán)境保護(hù)城市軌道交通振動(dòng)與噪聲控制工程技術(shù)中心(籌) 北京100071)(2.北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 北京100029)

聚氨酯微孔彈性體是性能介于彈性體和泡沫材料之間的一種材料，兼顧有泡沫質(zhì)輕、耐沖擊性好、吸能、緩沖性能好和彈性體強(qiáng)度高、耐磨性好的特點(diǎn)[1-3]。 在隔振方面，聚氨酯微孔彈性體對(duì)沖擊能量的吸收率能達(dá)到75%～95%[4]，具有優(yōu)異的沖擊吸收性能，配合其高強(qiáng)度、高耐磨等特性，可以作為優(yōu)異的隔振材料[5]。 應(yīng)用于軌道、建筑、橋梁等工程領(lǐng)域中的隔振材料需要具有較低的壓縮永久變形率、合適的靜剛度和較低的動(dòng)靜剛度比。

本實(shí)驗(yàn)采用半預(yù)聚體法制備了不同硬段含量的聚氨酯微孔彈性體，研究了密度和硬段含量對(duì)彈性體材料拉伸性能、壓縮性能、靜剛度和動(dòng)靜剛度比的影響，為隔振用聚氨酯微孔彈性體的工程應(yīng)用提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料與設(shè)備

改性MDI(MM103C)、HDI 三聚體(HI100)，德國(guó)巴斯夫公司；組合聚醚多元醇(YZ-2101，Mn＝3 700)，一臻(固安)新材料科技有限公司；聚合物多元醇POP-36/28、聚醚多元醇330N，山東東大化學(xué)工業(yè)(集團(tuán))公司；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，蘇州湘園新材料有限公司；1，4-丁二醇(BDO)，天津光復(fù)精細(xì)化工研究所；有機(jī)胺催化劑A15、泡沫穩(wěn)定劑D100，臨沂京瑞新材料科技有限公司；發(fā)泡劑HCFC-141b，山東臨沂斯科瑞聚氨酯有限公司。 以上均為工業(yè)級(jí)。 純凈水，市售。

ME2200E 型電子天平，梅特勒托利多(中國(guó))有限公司；RS-20S 型反應(yīng)釜，鄭州博匯精密科技有限公司；BL(F)-15 型聚氨酯澆注機(jī)，青島億雙林聚氨酯設(shè)備有限公司；CMT4304 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，深圳新三思儀器有限公司；UD-3600-A25T 型動(dòng)靜剛度比測(cè)試儀，臺(tái)灣優(yōu)肯科技有限公司；ST-8MF 型壓縮永久變形測(cè)試儀，廣東鷺工精密儀器有限公司。

1.2 試樣制備

計(jì)量YZ-2101 加入反應(yīng)釜中，在100 ～120 ℃下真空脫水2～3 h，檢測(cè)水分＜0.1%后，停止脫水并降溫至40 ～70 ℃，然后計(jì)量加入MM103C 和HI100，在80 ～100 ℃反應(yīng)3 ～5 h，得到NCO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的半預(yù)聚體，即為A 組分。

依次計(jì)量加入POP-36/28、330N、MOCA、BDO、純凈水、HCFC-141b、D100 和A15 于反應(yīng)釜中，在室溫～50 ℃混合1～3 h，得到B 組分。

將A、B 組分分別加入澆注機(jī)料桶中，原料恒溫40～45 ℃，模具溫度50～70 ℃。 啟動(dòng)澆注機(jī)，將A、B 組分按照異氰酸酯指數(shù)1.03 計(jì)量、混合后澆注入模具中，閉合模具，混合料發(fā)泡成型。 固化30 ～60 min 后，打開(kāi)模具，清理飛邊，得到不同密度的聚氨酯微孔彈性體，室溫后熟化7 d 以后進(jìn)行性能測(cè)試。

1.3 分析與測(cè)試

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率參照GB/T 10654—2001 測(cè)試，拉伸速度100 mm/min；壓縮永久變形率參照GB/T 10653—2001 測(cè)試，壓縮厚度的50%；靜剛度及動(dòng)靜剛度比參照文獻(xiàn)[2]進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 密度對(duì)聚氨酯微孔彈性體性能的影響

密度是影響聚氨酯微孔彈性體性能的重要因素。 控制物料填充率(等同于模具內(nèi)發(fā)泡密度與自由發(fā)泡密度的比值)為2.0 ～2.5，通過(guò)調(diào)整HCFC-141b 用量得到不同密度的聚氨酯微孔彈性體，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨密度的變化如圖1 所示。

圖1 密度對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率影響

由圖1 可以看出，當(dāng)密度在200 ～600 kg/m3之間時(shí)，隨著密度的增加，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)速度較快；當(dāng)密度大于600 kg/m3，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率增長(zhǎng)速度變慢。 這是因?yàn)楫?dāng)原料種類用量和模具填料比確定的情況下，密度較低時(shí)，單位體積內(nèi)的原料含量小，材料抵抗外力的能力差，此時(shí)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率也較??；隨著密度的增加，材料抵抗外力的能力增強(qiáng)，拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率隨之增大并逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 硬段含量對(duì)聚氨酯微孔彈性體性能的影響

控制彈性體密度為600 kg/m3，研究硬段含量對(duì)拉伸性能、壓縮永久變形、靜剛度和動(dòng)靜比的影響。

2.2.1 硬段含量對(duì)拉伸性能的影響

硬段含量對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響如圖2 所示。

圖2 硬段含量對(duì)拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的影響

由圖2 可見(jiàn)，硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%～60%時(shí)，隨著硬段含量增加，材料拉伸強(qiáng)度由2.3 MPa 增大至7.5 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率由320%減小至160%。 分析認(rèn)為，硬段含量增加，使得材料內(nèi)部分子間作用力增大(氫鍵增多)，同時(shí)使得硬段微區(qū)尺寸增大、數(shù)量增多，硬段微區(qū)的物理交聯(lián)作用增強(qiáng)，增大了分子鏈抵抗外力作用的能力，也增加了分子鏈運(yùn)動(dòng)的約束作用[6]。 因此，材料的拉伸強(qiáng)度隨硬段含量的增加逐漸增大，斷裂伸長(zhǎng)率隨硬段含量的增加逐漸減小。

2.2.2 硬段含量對(duì)壓縮永久變形的影響

硬段含量對(duì)聚氨酯微孔彈性體壓縮永久變形的影響如圖3 所示。

圖3 硬段含量對(duì)壓縮壓縮永久變形的影響

由圖3 可以看出，當(dāng)硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)由30%增加至40%時(shí)，壓縮永久變形由10%減小至6.5%，當(dāng)硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大至60%時(shí)，壓縮永久變形由6.5%增加至17%。 這是因?yàn)楫?dāng)硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于40%時(shí)，材料模量較低，分子間作用力相對(duì)較弱，同樣形變的應(yīng)力值低，隨著硬段含量增加，可提供更多物理交聯(lián)點(diǎn)，減少整個(gè)分子鏈重心位移，降低壓縮永久變形率；而當(dāng)硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，材料模量較大，分子間作用力增強(qiáng)[7]；形變?cè)黾訒r(shí)，受到的應(yīng)力較大，分子重心更易偏移，壓縮永久變形率隨著硬段含量的增加而逐漸增大。

2.2.3 硬段含量對(duì)靜剛度的影響

靜剛度是材料在靜載荷下抵抗變形的能力，硬段含量對(duì)聚氨酯微孔彈性體靜剛度的影響見(jiàn)圖4。

圖4 硬段含量對(duì)靜剛度的影響

由圖4 可以看出，靜剛度隨硬段含量的增加呈現(xiàn)線性增大，硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)60%的聚氨酯微孔彈性體的靜剛度比30%的增大了105%。 結(jié)合圖2 結(jié)果可知，隨著硬段含量的增加，拉伸強(qiáng)度增大，斷裂伸長(zhǎng)率減小，表明分子鏈柔順性降低，剛性增加，使得材料在靜載荷下抵抗變形的能力增大，靜剛度增大[8]。

2.2.4 硬段含量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響

硬段含量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響如圖5 所示。

圖5 硬段含量對(duì)動(dòng)靜剛度比的影響

由圖5 可以看出，動(dòng)靜剛度比隨硬段含量的增加先減小后增大，當(dāng)硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，動(dòng)靜剛度比達(dá)到最小值1.22。 聚氨酯微孔彈性體可以看成彈簧(空氣)和粘壺(聚氨酯)的并聯(lián)體，在周期性加載過(guò)程中，能量損耗主要由聚氨酯高分子鏈段運(yùn)動(dòng)弛豫和空氣與泡孔壁摩擦導(dǎo)致[8-9]。 在密度相同的條件下，動(dòng)靜剛度比的變化主要受高分子鏈段弛豫影響。 隨著硬段含量的增加，體系交聯(lián)程度增加，材料硬度增大、抵抗外界變形能力增強(qiáng)，動(dòng)剛度和靜剛度均增大，但當(dāng)硬段含量較低(質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于40%)時(shí)，動(dòng)剛度增大幅度小于靜剛度增大幅度，所以此時(shí)動(dòng)靜剛度比隨著硬段含量的增加而減?。欢?dāng)硬段含量較高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于40%)時(shí)，動(dòng)剛度增大程度大于靜剛度增大程度，所以此時(shí)動(dòng)靜剛度比隨著硬段含量的增加而增大。

3 結(jié)論

(1)隨著材料密度的增加，聚氨酯微孔彈性體拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率逐漸增大。

(2)隨著硬段含量的增加，聚氨酯微孔彈性體的拉伸強(qiáng)度和靜剛度逐漸升高，斷裂伸長(zhǎng)率逐漸減小。 在硬段質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%時(shí)，壓縮永久變形率最低，動(dòng)靜剛度比達(dá)到最小值1.22。