聚氨酯种类对机械性能以及阻尼性能影响研究

王 丽

(中国船舶工业系统工程研究院，北京100094)

聚氨酯弹性体是一类重要的高分子阻尼材料［1－5］，由软段相区和硬段相区组成。软段和硬段的热力学不相容导致的微相分离，以及软、硬段结构的可调节性，使其能够在较宽温度范围内具有较高的阻尼因子(tan δ)［6－8］。通过对软段、异氰酸酯以及扩链剂种类的调整能够实现对阻尼因子大小以及阻尼温域的控制［9］。因此，本文比较了具有不同结构特征的聚氨酯弹性体材料机械性能和阻尼性能，为高性能阻尼材料的制备提供依据。

1 试验部分

1.1 原材料

聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG，Mn =2000)，韩国PTG;聚氧化丙烯二醇(PPG，Mn =2000)，国都化工(昆山)有限公司;二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI－50、MDI－100)，烟台万华;1，4－丁二醇(BDO)，天津乐泰化工有限公司;三羟甲基丙烷(TMP)，天津乐泰化工有限公司。

1.2 试样制备

按照一定配比将多元醇与异氰酸酯在固定温度下混合均匀，然后在一定温度下放置一段时间，使-OH 与-NCO 充分反应，待其达到稳定状态后，加入扩链剂迅速混合均匀，并在真空条件下尽量除去气泡，最后浇注成型。具体组分见表1。

表1 不同体系聚氨酯组分Table 1 The component different polyurethane systems

1.3 性能测试

机械性能测试:参照标准GB/T 528－2009 将样品裁成标准哑铃型试样，使用计算机控制万能试验机(WDL－5000N)在25℃以500mm/min 速率进行拉伸试验。

阻尼性能测试:使用动态力学测试仪(NETZSCH DMA 242)获得损耗因子tan δ－温度曲线，测试条件为双悬臂梁模式，温度范围为－80℃～60℃，升温速率3℃/min，频率为10Hz，振幅为120μm。

2 结果与讨论

2.1 软段结构的影响

使用MDI－50 和BDO 作为硬段材料，比较两种聚醚型多元醇作为软段的聚氨酯机械性能。从表2 可以看出，使用PPG 作为软段的聚氨酯(体系2)机械性能较差，拉伸强度、断裂伸长率以及弹性模量均低于使用PTMEG 作为软段的材料。

表2 不同软段种类聚氨酯的机械性能Table 2 The mechanical properties of polyurethane with different soft segments

比较两个体系的损耗因子(tan δ)－温度曲线(见图1)可以看出，以PTMEG 为软段的聚氨酯(体系1)玻璃化转变温度要低于以PPG 为软段的聚氨酯(体系2)，这主要是因为PPG 中的侧甲基降低了分子的柔顺性。体系2 的损耗因子明显高于体系1，这归因于PPG 的分子链上较PTMEG 多了侧甲基，根据基团贡献理论，可以知道PPG 所制备的聚氨酯应具有较高的损耗因子［10］。

图1 不同软段种类聚氨酯tan δ－温度曲线Fig.1 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different soft segments

2.2 异氰酸酯结构的影响

表3 中结果表明，使用MDI－100LL 制备的聚氨酯(体系3)较使用MDI－50 的聚氨酯(体系2)拉伸强度以及弹性模量都要低，但是断裂伸长率高于后者。造成这种现象可能的原因是MDI－100LL 中含有少量的三官能团分子，在一定程度上破坏了硬段的规整性，从而造成拉伸强度和弹性模量下降，断裂伸长率增大。

表3 不同异氰酸酯种类聚氨酯的机械性能Table 3 The mechanical properties of polyurethane with different isocyanates

图2 结果表明:异氰酸酯MDI－100LL 中少量三官能团分子使得体系中存在一定的交联结构，使得链段运动相对困难，从而造成玻璃化转变温度升高。同时体系3 中硬段的规整性降低，分子堆砌较松散，使软段更容易穿越硬质区，增加了在外力作用下软段与硬段的相互作用，从而增大了损耗因子。同时，也使得相间过渡区增加，阻尼峰得到拓宽［10］，因此使用异氰酸酯MDI－100LL 有利于拓宽阻尼温域。

图2 不同异氰酸酯种类聚氨酯tan δ－温度曲线Fig.2 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different isocyanates

2.3 扩链剂结构的影响

比较软段及异氰酸酯种类相同，扩链剂分别为BDO 和TMP 的聚氨酯体系的机械性能。从表4 中可以看出，扩链剂为TMP 的聚氨酯(体系4)拉伸强度与弹性模量均大于扩链剂为BDO 的聚氨酯体系(体系2)，但是断裂伸长率却小于前者。这主要是因为TMP 为三元醇，所合成的聚氨酯经过交联固化，具有交联网络状结构，大分子链在受到应力作用时，可以将应力转移到其他的分子链上，即便某一处发生断裂，也不会迅速危及到整体，从而降低了断裂的可能性，也就增加了拉伸强度;而且形成的交联结构使分子链的伸直受阻，从而断裂伸长率较低。

表4 不同扩链剂种类聚氨酯的机械性能Table 4 The mechanical properties of polyurethane with different chain extenders

由图3 可以看出以TMP 为扩链剂的聚氨酯(体系4)具有很宽的阻尼峰。主要原因是由于TMP 是三元醇，所合成的聚氨酯分子结构为经过交联固化的网络结构，破坏了硬段排列的规整性，只能松散的堆砌，从而使得软段能轻易的穿越硬质区，增加了两者的相容性，从而使得相间过渡区增加，阻尼峰得到拓宽［10］。

图3 不同扩链剂种类聚氨酯tan δ－温度曲线Fig.3 The tan δ-temperature curves of polyurethane with different chain extenders

3 结论

(1)机械性能:软段及硬段的分子规整程度下降使得聚氨酯材料的拉伸强度和弹性模量降低;以三元醇为扩链剂的聚氨酯材料具有交联结构，使得拉伸强度以及弹性模量增加，断裂伸长率降低。

(2)阻尼性能:软段中侧甲基的存在有利于提高聚氨酯阻尼性能，同时使得玻璃化转变温度升高;由异氰酸酯MDI－100LL 所合成的聚氨酯中硬段排列较松散，使得损耗因子峰值升高，温域增宽。以三元醇为扩链剂的聚氨酯材料具有交联结构，较线形的1，4－丁二醇合成的聚氨酯具有更宽的阻尼峰温域。

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