白炭黑/聚氨酯弹性体涂层的制备及性能研究

龙宇飞 邓顺利 张智嘉

（1. 海装沈阳局驻哈尔滨地区第二军事代表室，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 教育部超轻材料和表面技术重点实验室，哈尔滨工程大学材料科学与化学工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

聚氨酯弹性体（Polyurethane Elastomer， PUE）是大分子主链上含有较多氨基甲酸酯基官能团（-NH-CO-O-）的一类弹性体聚合物，是典型的多嵌段共聚物，又叫聚氨酯橡胶或液体橡胶，广泛的应用在汽车、建筑、矿山、鞋业和医疗等领域[1,2]。随着科技的不断发展，人们对材料的物理、力学性能的要求也越来越高，添加纳米粒子是聚氨酯提高理化性能的有效手段之一[3,4]。

白炭黑的分子式为SiO2•nH2O，在高温下结构稳定，对活性成分也有着良好的相容性，广泛应用在涂料、陶瓷、塑料等多个领域[5]。白炭黑一般做橡胶的补强剂或填充剂，在橡胶鞋底中添加白炭黑可以让鞋底变成透明或不透明的浅色，还能提高产品的耐磨性、拉伸强度等机械性能。因此，将白炭黑与聚氨酯弹性体相结合，制备出白炭黑/聚氨酯弹性体涂层，考察白炭黑对聚氨酯弹性体涂层的力学性能影响规律。

1 实验

1.1 材料与仪器

聚氨酯A料、聚氨酯B料，工业级，青岛汇智领先新材料科技有限公司；白炭黑，工业级，德国德固赛有限公司。

JM-B 20002型电子天平，XY-6074型橡胶冲击回弹实验机，BYES-2000型微量水分测定仪，Instron-5967高低温万能试验机，LX-A邵尔橡胶硬度计。

1.2 聚氨酯弹性体涂层的制备

将聚氨酯A料与聚氨酯B料分混合均匀（A料与B料的质量比为2.3:1），于真空干燥箱中抽真空2 min，倒入喷覆有脱模剂的模具中，保持聚氨酯涂层的厚度为2.5 mm，再次于真空干燥箱中抽真空7 min，固化7d后脱模。

1.3 白炭黑/聚氨酯弹性体涂层的制备

将白炭黑与聚氨酯B料混合均匀，再与聚氨酯A料混合均匀（A料与B料的质量比为2.3:1，白炭黑的质量分数分别为0.1wt%、0.5wt%、1.0wt%、1.5 wt%、2.0wt%、2.5wt%），如表1所示，搅拌均匀后于真空干燥箱中抽真空2min，倒入喷覆有脱模剂的模具中，保持聚氨酯膜的厚度为2.5mm，再次于真空干燥箱中抽真空7min，固化7d。

表1 白炭黑/聚氨酯弹性体涂层的制备配方

2 结果与讨论

2.1 白炭黑形貌分析

白炭黑的光学照片和扫描电子显微镜照片如图1所示，从图1（a）中可以看到，白炭黑为白色粉末状固体。图1b中的白炭黑粒径约为20nm，有一定的团聚现象。

图1 (a)白炭黑照片 (b)白炭黑扫描电子显微镜照片

2.2 白炭黑/聚氨酯弹性体涂层的形貌分析

不同白炭黑添加量的聚氨酯薄膜如图2所示，随着白炭黑添加量的增多，聚氨酯薄膜的透明性降低不明显。当白炭黑的质量分数为2.5wt%时（PU/Si-6），涂层发黄，且表面凹凸不平，这是因为白炭黑的过多加入使得体系粘度增加，聚氨酯的流动性变差，涂层在固化过程中不能自流平。

图2 不同白炭黑含量的聚氨酯弹性体涂层照片

不同白炭黑含量的聚氨酯的截面扫描电镜照片如图3所示，可以看出，白炭黑在聚氨酯中分布比较均匀，但主要以团聚形式分散在聚氨酯弹性体涂层中，且可以明显观察到随着白炭黑添加量的增多，在聚氨酯中的白炭黑团聚粒越来越多。

图3 不同白炭黑含量的聚氨酯的截面扫描电镜图片

2.3 密度分析

由图4可以看出，聚氨酯的密度随着白炭黑添加量的不同没有发生显著变化。分析主要有以下原因。其一是白炭黑的添加量比较少。其二是当白炭黑被添加到聚氨酯中混合均匀时，只有其实体体积在影响聚氨酯体积，因此对聚氨酯体积的影响比较小，对聚氨酯的质量影响也不明显。

图4 不同白炭黑含量的聚氨酯的密度

2.4 力学性能分析

不同白炭黑含量的聚氨酯的拉伸强度、断裂伸长率、拉伸模量如表2和图5所示。可以看出，较之于纯聚氨酯，掺入了白炭黑的聚氨酯的断裂伸长率、拉伸强度都有所提高。当白炭黑的添加量为2.0wt%时，聚氨酯的拉伸强度最大；断裂伸长率最大；此后，随着白炭黑添加量的增多而有所降低。

图5 不同白炭黑含量的聚氨酯的拉伸应力-应变曲线

表2 白炭黑改性聚氨酯的拉伸性能

聚氨酯被拉伸时，缠结的分子链打开，小的应力会引起大的应变，连续的拉伸使得分子链整齐排列，从而应力增大，所以整体来看聚氨酯的应力应变曲线呈现线性趋势。由于白炭黑颗粒比表面积大，将其掺入聚氨酯中后，负载从聚氨酯基体转移到白炭黑颗粒，使得材料的拉伸强度提高。白炭黑还起到润滑的作用，使得分子链的流动性增强，使得材料的断裂伸长率提高。

3 结语

本实验使用的白炭黑为纳米级，存在一定的团聚现象，但仅当含量超过2.5wt%时，白炭黑的团聚影响涂层透明性和自流平。因此，当白炭黑的含量低于2wt%时，制备的白炭黑/聚氨酯弹性体涂层仍能保留聚氨酯的透明性，同时能够提高聚氨酯的力学性能；当白炭黑的加入量为2wt%时，白炭黑/聚氨酯弹性体涂层的力学性能最佳，拉伸强度为5.11 MPa，断裂伸长率为352%。