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水性聚氨酯合成中硬段與軟段對產品性能的影響

發(fā)布時間：

2020-02-14

來源：

　　水性聚氨酯由硬段和軟段構成，下面分別介紹硬段和軟段結構對水性聚氨酯性能的影響。

一、硬段的影響

　　水性聚氨酯的硬段由反應后的二異氰酸酯或二異氰酸酯與擴鏈劑組成，含有芳基、氨基甲酸酯基、取代脲基等強極性基團，通常芳香族異氰酸酯形成的剛性鏈段構象不易改變，常溫下伸展成棒狀。硬鏈段通常影響聚合物的軟化熔融溫度及高溫性能。

　　異氰酸酯的結構影響硬段的剛性，因而異氰酸酯的種類對PU材料的性能有很大影響。芳族異氰酸酯分子中剛性芳環(huán)的存在以及生成的氨基甲酸酯鍵賦予水性聚氨酯較強的內聚力。對稱二異氰酸酯使水性聚氨酯分子結構規(guī)整有序，易形成氫鍵，故4，4’-MDI比不對稱的二異氰酸酯(如TDI)所制的水性聚氨酯的內聚力大，模量和撕裂強度等力學性能高。芳香族異氰酸酯制備的聚氨酯由于硬段含剛性芳環(huán)，因而使其硬段內聚強度增大，材料強度一般比脂肪族異氰酸酯型聚氨酯的大，但易泛黃。脂肪族PU則不會泛黃。不同的異氰酸酯結構對聚氨酯的耐久性也有不同的影響，芳香族比脂肪族異氰酸酯的PU耐熱氧化性能好，因為芳環(huán)上的氫較難被氧化。

　　擴鏈劑對PU性能也有影響。含芳環(huán)的二元醇與脂肪族二元醇擴鏈的水性聚氨酯相比有較好的強度。二元胺擴鏈劑能形成脲鍵，脲鍵的極性比氨酯鍵強，因而二元胺擴鏈的聚氨酯比二元醇擴鏈的聚氨酯具有較高的機械強度、模量、黏附性，并且還有較好的低溫性能。澆注型聚氨酯彈性體多采用芳香族二胺MOCA作擴鏈劑，除了固化工藝因素外，就是因為彈性體具有良好的綜合性能。

　　聚氨酯的軟段在高溫下短時間不會很快被氧化和發(fā)生降解，但硬段的耐熱性影響聚氨酯的耐溫性能，硬段中可能出現(xiàn)由異氰酸酯反應形成的幾種鍵基團，其熱穩(wěn)定性順序如下：

　　異氰脲酸酯>脲>氨基甲酸酯>縮二脲>脲基甲酸酯   

　　其中最穩(wěn)定的異氰脲酸酯在270℃左右才開始分解。氨酯鍵的熱穩(wěn)定性隨著鄰近氧原子的碳原子上取代基的增加及異氰酸酯反應性的增加或立體位阻的增加而降低。

　　提高PU中硬段的含量通常使硬度增加、彈性降低。   

二、軟段的影響

　　聚醚、聚酯等低聚物多元醇組成軟段。軟段在PU中占大部分，不同的低聚物多元醇與二異氰酸酯制備的PU性能各不相同。下表列出了各種低聚物多元醇的種類與所制得PU性能的關系。

　　各種低聚物多元醇的種類與所制PU性能的   

　　極性強的聚酯作軟段得到的水性聚氨酯彈性體及泡沫的力學性能較好。聚酯型水性聚氨酯的強度、耐油性、熱氧化穩(wěn)定性比PPG聚醚型的高，但耐水解性能比聚醚型的差。聚四氫呋喃(PTMEG)型聚氨酯由于PTMEG結構規(guī)整，易形成結晶，強度與聚酯型的不相上下。一般來說，聚醚型聚氨酯，由于軟段的醚基較易旋轉，具有較好的柔順性，有優(yōu)越的低溫性能，并且聚醚中不存在相對較易水解的酯基，其耐水解性比聚酯型的好。以聚丁二稀為軟段的水性聚氨酯，軟段極性弱，軟硬段間相容性差，彈性體強度較差。   

　　含有側鏈的軟段，由于位阻作用，氫鍵弱，結晶性差，強度一般比相同軟段主鏈的無側基聚氨酯差。   

　　軟段的分子量對聚氨酯的力學性能有影響，一般來說，假定聚氨酯分子量相同，其軟段若為聚酯，則PU的強度隨聚酯二醇分子量的增加而提高;若軟段為聚醚，則PU的強度隨聚醚二醇分子量的增加而下降，不過伸長率卻上升。這是因為聚酯型軟段本身極性就較強，分子量大則結構規(guī)整性高，對改善強度有利;而聚醚軟段則極性較弱，若分子量增大，則PU中硬段的相對含量就減小，強度下降。   

　　軟段的結晶性對線型聚氨酯鏈段的結晶性有較大的貢獻。一般來說結晶性對提高聚氨酯制品的性能是有利的，但有時結晶會降低材料的低溫柔韌性，并且結晶性聚合物常常不透明。為了避免結晶，可打亂分子的規(guī)整性，如采用共聚酯或共聚醚多元醇，或混合多元醇、混合擴鏈劑等。