低发泡高强度高韧性聚氨酯树脂的制备与性能研究

摘要

聚氨酯由于性能优异而在各行各业中受到广泛应用。但目前常用的双组份聚氨酯其强度、刚度以及耐热性等性能还不够理想，将其作为纤维增强复合材料的树脂基体时，其性能尚达不到要求。与国外相比，国内对双组份聚氨酯树脂的研究时间较短，工艺性能与物理机械性能较差，限制了聚氨酯树脂的发展。因此，可用于纤维增强复合材料的高性能聚氨酯树脂是当下研究的热点。 为了研究与制备一种同时具有高强度和高韧性且不易发泡的聚氨酯树脂，本文通过预聚体法合成甲苯-2,4-二异氰酸酯(TDI)/聚丙二醇(PPG)聚氨酯预聚体，降低体系异氰酸酯的含量，避免扩链交联反应时活性太高，放热过大，使得聚氨酯固化产物气泡较多；采用聚四氢呋喃醚二醇(PTMG)以及苯酐聚酯多元醇(PAPP)作为扩链剂，降低聚氨酯反应活性以及固化产物气泡率的同时增长聚氨酯预聚体的分子链，改善固化产物的韧性；三羟甲基丙烷(TMP)作为交联剂，形成交联三维网络结构，提高固化产物的强度、刚度及耐热性。 首先通过二正丁胺法测定-NCO质量分数确定 TDI/PPG聚氨酯预聚体合成与贮存的最佳条件，并研究其粘度的变化情况；然后利用电子万能试验机对扩链交联反应后聚氨酯树脂体系的静态力学性能进行研究，并借助非等温 DSC、FT-IR以及SEM测试手段分别研究聚氨酯树脂的固化反应、结构特征以及浇铸体试样冲击断面的微观形貌；最后采用动态热机械分析仪(DMA)研究不同扩链交联体系聚氨酯树脂的耐热性能。 结果表明，TDI/PPG聚氨酯预聚体的最佳合成反应温度为80℃，保温时间为2h；TDI/PPG预聚体的粘度随着-NCO质量分数的降低而逐渐增大，且温度的升高亦会使体系的粘度减小，预聚体中-NCO质量分数随着贮存时间的增加而降低，其最佳的使用时间在2周以内；FT-IR结果显示，预聚体中出现了较强的-NHCOO与-NCO的特征吸收峰，且不存在-OH吸收峰，说明合成得到了-NCO封端的 TDI/PPG聚氨酯预聚体；该预聚体经过扩链交联反应后，-OH与-NCO特征吸收峰消失，说明聚氨酯预聚体扩链交联反应后体系中-NCO基团已完全反应。 与TMP单一体系进行交联反应得到的PU浇铸体的相比，PTMG/TMP混合扩链交联体系的PU浇铸体的拉伸与弯曲强度虽有小幅度的降低，但断裂伸长率却有较大的提高。选择适宜-NCO质量分数的预聚体，制得的聚氨酯浇铸体气泡较少，对力学性能的影响降低，且混合体系的PU浇铸体韧性较好。当混合扩链交联剂中 PTMG400的含量为5%，TDI/PPG400预聚体中-NCO质量分数为24.50%，R值为1.01～1.05时，得到的PU浇铸体综合性能最佳，其拉伸强度达到92.1MPa～95.2MPa，弯曲强度达到113MPa～116MPa，拉伸模量达到3.51GPa～3.54GPa，而断裂伸长率为4.97%～4.98%，与TMP单一体系相比，提高了47.5%，且PTMG400/TMP混合体系的冲击强度为49.7 kJ?m-2～49.9 kJ?m-2，提高了近260%，断面形貌表现为表面粗糙，条纹明显且较深。 不同扩链交联体系的聚氨酯树脂的耐热性能随着预聚体中-NCO质量分数的增加而提高，但当扩链剂 PTMG含量过多时反而会降低其耐热性能，R值的变化对聚氨酯树脂耐热性能的影响不大。DMA测试结果表明，PTMG400/TMP混合扩链交联体系的树脂浇铸体的拐点温度(E′)和 tanδ峰值温度分别在89.0℃～96.0℃与116℃～118℃之间。

目录

声明

第1章绪 论

1.1 国内外聚氨酯树脂的发展概况

1.2 聚氨酯和聚氨酯预聚体概述

1.3 聚氨酯复合材料的研究进展

1.4本论文研究的目的与意义

1.5 本论文的主要研究内容

第2章TDI/PPG聚氨酯预聚体的合成

2.1 引言

2.2 TDI/PPG400预聚体的合成原理

2.3 实验部分

2.4 预聚体测试与表征

2.5 结果与分析

2.6 本章小结

第3章 不同扩链交联体系对PU浇铸体力学性能的影响

3.1 引言

3.2 实验部分

3.3 扩链交联反应动力学研究

3.4 TDI/PPG400预聚体固化产物红外光谱分析

3.5 扩链交联剂对PU浇铸体拉伸、弯曲性能的影响

3.6 PU浇铸体的冲击性能的研究

3.7 本章小结

第4章PU浇铸体耐热性能的研究

4.1 引言

4.2 实验部分

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结 论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及专利