微孔聚氨酯彈性體實驗研究

孫 巍， 孫 云

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

微孔聚氨酯彈性體實驗研究

孫 巍， 孫 云

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍事代表室， 上海 200129)

研究了以聚合接枝聚醚多元醇和改性MDI為主要原材料，通過添加一定量的發(fā)泡劑、表面活性劑、醇胺交聯(lián)劑等輔助原材料采用反應(yīng)注射成型工藝制備出微孔聚氨酯彈性體，并對微孔聚氨酯彈性體的性能與實體聚氨酯彈性體進(jìn)行對比。結(jié)果表明微孔聚氨酯彈性體具有與實體聚氨酯彈性體相當(dāng)?shù)臋C械性能和耐海水腐蝕性能，但微孔聚氨酯彈性體具有更高的能量吸收和較低的密度，適合用做艦船防撞抗振緩沖材料。

微孔聚氨酯彈性體 抗振緩沖

1 引言

聚氨酯彈性體對交變的應(yīng)力作用表現(xiàn)出明顯的滯后現(xiàn)象。在這一過程中外力作用的一部分能量消耗于彈性體分子的內(nèi)摩擦，轉(zhuǎn)變成為熱能[1]。這種特性叫做材料的吸振性能，也稱之為能量吸收性能或阻尼性能。輕質(zhì)高彈微孔聚氨酯彈性體不但具有阻尼特性，而且是良好的高彈性材料，在受到撞擊后可以通過熱能轉(zhuǎn)化和變形能吸收能量，是良好的緩沖材料[2]。另外微孔聚氨酯彈性體具有較強的抗腐蝕性能和抗老化性能、韌性好、強度高，且抗張能力和耐磨性較強，是艦船靠船作業(yè)減輕撞擊的一條切實可行的技術(shù)途徑。

2 聚氨酯彈性體實驗研究

2.1 實驗用主要原材料

聚酯醚多元醇：聚合接枝聚醚多元醇M=6 000，山東淄博東大聚氨酯有限公司；交聯(lián)劑：1.4丁二醇，市售工業(yè)品；擴鏈劑：二乙基甲苯二胺(DETDA)，美國ETHYL公司；胺催化劑：三亞乙基二胺，德國高施米特公司(Tegoamin-33)；金屬催化劑：二月桂酸二丁基錫，德國高施米特公司(Kosmos-19)；改性MDI，德國BASF公司；表面活性劑：吐溫-80，市售工業(yè)品；發(fā)泡劑：環(huán)戊烷，市售工業(yè)品。

2.2 實驗用儀器設(shè)備

電子天平：0～15kg，上海電子儀器有限公司；反應(yīng)注射成型機：HE-60(7/7)型，意大利CANON公司；萬能拉力試驗機：AG-2 000A型，日本島津公司；簡支梁沖擊試驗機：XCJ-500型，美國Instron公司；強力攪拌器：JB300-D型，上海標(biāo)本模型制造廠。

2.3 微孔聚氨酯彈性體制備

將聚合接枝多元醇、1.4丁二醇、二乙基甲苯二胺(DETDA)、三亞乙基二胺、二月桂酸二丁基錫、發(fā)泡劑、表面活性劑按照80∶8∶12∶0.1∶0.15∶2∶0.5的比例在50L搪瓷桶中混合，采用強力攪拌器攪拌60min，混合均勻得到A料。改性MDI為B料。

將反應(yīng)注射成型機的兩個加料泵分別放入盛放A料和B料的桶中，接通空壓機電源，開機通氣，將A、B料輸送到反應(yīng)注射成型機中。將模具加熱到66℃～71℃，設(shè)定注射成型機各設(shè)備參數(shù)，料溫20℃～40℃，注射流量500g/s，A:B組份比例為118:100注射成型，保溫1min脫模，即得微孔聚氨酯彈性體艦船防撞裝置。

2.4 微孔聚氨酯彈性體性能測試

密度：按照GB/T6343-1995規(guī)定的方法測試；抗拉強度：按照GB/T1701-2001規(guī)定的方法測試；斷裂伸長率：按照GB/T1040.2-2006規(guī)定的方法測試；撕裂強度：按照GB/T529-2008規(guī)定的方法測試；沖擊強度：按照GB/T528-2009規(guī)定的方法測試；硬度/(邵爾D)：按照GB/T2411-2008規(guī)定的方法測試；彎曲模量：按照GB/T9341-2008規(guī)定的方法測試；比吸能性：參照Q/CC206-1996規(guī)定的方法，采用鋁彈測試；耐海水耐鹽霧性能：按照GJB150.10-1986規(guī)定的方法測試。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 微孔聚氨酯彈性體性能指標(biāo)

采用以上配方及反應(yīng)注射成型工藝[3]制備的微孔聚氨酯彈性體，經(jīng)過性能測試，得到的測試結(jié)果如表1所示。

3.2 微孔聚氨酯彈性體輕量化的貢獻(xiàn)

由表1可知，微孔聚氨酯彈性體不但具有非泡沫彈性體良好的機械性能，而且具有較低的密度。采用微孔聚氨酯彈性體制備艦船防撞裝置，其密度為0.85 g/cm3，甚至更低。實體橡膠密度為1.25 g/cm3，所以微孔聚氨酯彈性體的密度是實體聚氨酯彈性體密度的68%，按照厚度50 mm的板材產(chǎn)品計算，每平方米可以減輕重量20 kg，按照每條船100 m2計算，可以比實體橡膠減重2 t，對于艦船的輕量化貢獻(xiàn)較大。

微孔聚氨酯彈性體密度小，具有漂浮性，安裝于艦船上可以進(jìn)一步提高艦船的浮力。按照厚度50 mm的板材產(chǎn)品，每條船100 m2計算，全部浸入水中，其排水量為5 m3，去除其本身重量還能夠產(chǎn)生0.75 t的浮力。

目前裝備的輕量化要求較高，艦船的輕量化成為制約其機動性的瓶頸技術(shù)，在保障功能的前提下，質(zhì)量越小越有利于提高艦船的機動性。

3.3 微孔聚氨酯彈性體吸能性

由表1可知，相對于實體聚氨酯彈性體，微孔聚氨酯彈性體具有更高的吸能特性。從機理上講，聚氨酯彈性體在受到外力作用時，由于其優(yōu)越的阻尼特性，將一部分能量轉(zhuǎn)變成彈性體分子的內(nèi)摩擦，摩擦生熱產(chǎn)生一定的熱量而消耗掉，當(dāng)頻率與大分子的松弛時間相近(同一量級)時，聚氨酯彈性體的能量衰減系數(shù)k一般為10～20%。

E轉(zhuǎn)=E熱

式中：E熱為聚氨酯彈性體吸收能量轉(zhuǎn)化成的熱能；k1為能量衰減系數(shù)；E0為振動的初始能量。

由(1)式可知，室溫條件下，聚氨酯彈性體一般可以吸收振動能量的10%～20%。

對于微孔聚氨酯彈性體來說，不僅具有良好的阻尼特性，將動能轉(zhuǎn)化成熱能。另外，微孔聚氨酯彈性還可以看成一個比較復(fù)雜的彈簧，在受到外力沖擊時，產(chǎn)生較大的變形，將動能轉(zhuǎn)化成變形能即彈性勢能，因而吸收更多能量。

E轉(zhuǎn)=E熱

式中：k2為彈性系數(shù)；x為離開平衡位置的距離。

由(2)式可知微孔聚氨酯彈性體吸收的能量為能量衰減和彈性勢能的總和，要遠(yuǎn)大于實體聚氨酯彈性體吸收的能量。

3.4 微孔聚氨酯彈性體耐海水能力強

聚氨酯彈性體在海水中浸泡1年，其拉伸強度為28.0MPa，硬度為87；浸泡2年，其拉伸強度為27.5MPa，硬度為88；浸泡3年，其拉伸強度為27.2MPa，硬度為89；3年后強度保持率為93.8%。

微孔聚氨酯彈性體在海水中浸泡1年，其拉伸強度為24.5MPa，硬度為66；浸泡2年，其拉伸強度為23.8MPa，硬度為66.5；浸泡3年，其拉伸強度為23.2MPa，硬度為67；其性能保持率為92.8%。

從耐海水性能試驗可知，微孔聚氨酯彈性體的耐海水性能優(yōu)越，比較適用于艦船的防撞裝置。

4 結(jié)論

(1) 微孔聚氨酯彈性體不但具有實體聚氨酯彈性體良好的機械性能，而且具有較低的密度，具有漂浮性，安裝于艦船上可以進(jìn)一步提高艦船的浮力和機動性。

(2) 在受到同樣的撞擊后，相同質(zhì)量的微孔聚氨酯彈性體比實體聚氨酯彈性體吸收更多的能量。

(3) 微孔聚氨酯彈性體與實體聚氨酯彈性體耐海水性能相當(dāng)。

[1] 山西化工研究所.聚氨酯彈性體手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[2] C.赫普伯恩著，高景臣等譯.聚氨酯彈性體[M].北京：烴加工出版社，1987.

[3] Walter E Becker.Reaction Injection Molding[C].New York.

Study on Microcellular Polyurethane Elastomer for Ship

SUN Wei， SUN Yun

(Military Representative in Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129， China)

The microcellular polyurethane elastomer based on graft polyether polyols,modified MDI diisocyanate as the main raw material,with the foaming agent,surfactant, diamine,diols,and other auxiliary materials are studied. The microcellular polyurethane elastomer are made by reaction injection molding.Through the research on the performance of microcellular polyurethane elastomer and solid polyurethane elastomer comparision, the result shows that the microcellular polyurethane elastomer has comparable mechanical properties and corrosion resistance to sea water. But the microcellular polyurethane elastomer has higher energy absorption and lower density. It is suitable for anti-vibration and cushion materials.

Microcellular polyurethane elastomer Anti-vibration and cushion

孫 巍(1979-)，男，工程師。

U672

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