單組分濕固化聚氨酯密封膠力學(xué)性能的研究

賈衛(wèi)民， 薛 宏

( 山西省化工研究所(有限公司)，山西 榆次 030600)

密封膠是用來填充空隙(孔洞、接頭、接縫等)的材料。密封膠種類有有機(jī)硅類(包括改性有機(jī)硅)、聚氨酯類、聚硫橡膠類、丙烯酸酯類、丁苯橡膠類、丁基橡膠類、瀝青、油性嵌縫膠類等，最早使用的密封膠有瀝青類、油嵌縫膠等。而用于填充須經(jīng)受振動或熱脹冷縮等所致具有伸縮性的間隙，則必須用彈性密封膠。彈性密封膠是將黏結(jié)和密封兩種功能集于一身的產(chǎn)品。其中，性能較好的三類高檔彈性密封膠分別是有機(jī)硅密封膠、聚硫密封膠和聚氨酯密封膠。聚氨酯密封膠有單組分密封膠和雙組分密封膠兩種。單組分濕固化聚氨酯密封膠是由端—NCO基團(tuán)聚氨酯預(yù)聚體與填料、增塑劑、添加劑配合而成[1]。

建設(shè)產(chǎn)業(yè)需求量的增大促進(jìn)了聚氨酯密封膠快速發(fā)展，而且，隨著汽車、航空和造船行業(yè)的發(fā)展，對于聚氨酯密封膠的需求量越來越大，這表明聚氨酯密封膠產(chǎn)品的市場前景十分廣闊。目前，單組分濕固化聚氨酯的相關(guān)研究成果較多[2-9]，但其中對于其力學(xué)性能的影響因素及機(jī)理研究較少[10]。本文主要探討了預(yù)聚體—NCO含量、填料種類、填料用量、觸變劑用量和炭黑用量對于單組分濕固化聚氨酯密封膠力學(xué)性能的影響及機(jī)理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

1.2 主要儀器

動力混合機(jī)，DHL-10L，東莞市泰睿機(jī)械設(shè)備有限公司；電子萬能試驗機(jī)，DR-6000A，揚州德瑞儀器設(shè)備有限公司；橡膠硬度計，LX-A型，上海萬衡精密儀器有限公司。

1.3 聚氨酯密封膠的合成

1.3.1 預(yù)聚體的制備

將一定質(zhì)量的二元醇和三元醇混合的聚氧化丙烯多元醇在100 ℃～110 ℃條件下真空脫水2 h，然后冷卻至60 ℃，加入計量的TDI，在80 ℃下攪拌保溫反應(yīng)2 h，取樣分析—NCO基的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，達(dá)到設(shè)計—NCO基值時，即為預(yù)聚體，密封充氮保存待用。

1.3.2 密封膠的制備

按配方比例稱量計量的填料和炭黑在130 ℃下烘干12 h后倒入動力混合機(jī)中，分散均勻后降至50 ℃，加入聚氨酯預(yù)聚體，攪拌均勻后加入計量的觸變劑氣相二氧化硅、增塑劑DOP、偶聯(lián)劑KH-550和催化劑二月桂酸二丁基錫等助劑，真空下攪拌并高速分散1 h，出料，密封保存待用。

1.4 力學(xué)性能測試

拉伸強度、拉斷伸長率和300%定伸應(yīng)力按GB/T528-2009標(biāo)準(zhǔn)測定；邵爾硬度按GB/T 531.1-2008標(biāo)準(zhǔn)測定；撕裂強度按GB/T 529-2008標(biāo)準(zhǔn)測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)聚體—NCO含量對力學(xué)性能的影響

固定單組分濕固化聚氨酯密封膠其余組分比例不變，改變預(yù)聚體—NCO含量，制備的密封膠力學(xué)性能見表1。

表1 預(yù)聚體—NCO含量對力學(xué)性能的影響

由表1可以看出，隨著預(yù)聚體—NCO含量增加，密封膠的硬度、拉伸強度、300%定伸應(yīng)力和撕裂強度增大，拉斷伸長率降低。這是由于，隨預(yù)聚體—NCO基含量的提高，硬段含量增加，氨基甲酸酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，氫鍵作用增強，使硬度、拉伸強度、300%定伸應(yīng)力和撕裂強度增大；同時，密封膠固化時交聯(lián)密度增大，交聯(lián)點之間的相對分子質(zhì)量減小，分子鏈活動范圍受限，造成斷裂伸長率減小。

2.2 填料種類對力學(xué)性能的影響

固定單組分濕固化聚氨酯密封膠其余組分比例不變，改變填料碳酸鈣的種類，制備的密封膠力學(xué)性能見表2。

表2 填料對力學(xué)性能的影響

加入填料能夠顯著降低密封膠產(chǎn)品的成本，提高市場競爭力。從表2可以看出，在選取的3種碳酸鈣中以納米碳酸鈣為填料制成的密封膠性能最好。這是由于，與重質(zhì)碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣和滑石粉相比納米碳酸鈣粒粒徑較小，表面容易被聚氨酯預(yù)聚體濕潤，與膠料有很好的親和性，更好地分散于預(yù)聚體中，有利于提高密封膠的補強效果，使制得的密封膠性能更好。

2.3 填料用量對力學(xué)性能的影響

改變填料納米碳酸鈣的用量，固定單組分濕固化聚氨酯密封膠其余組分比例不變，制備的密封膠力學(xué)性能見表3。

表3 填料用量對力學(xué)性能的影響

由表3可知，隨著納米碳酸鈣添加量的提高，密封膠的硬度、拉伸強度和撕裂強度都逐漸提高，說明納米碳酸鈣由于具有相對較小的粒徑，能夠更好地分散于密封膠體系中，具有較好的補強效果。但隨著納米碳酸鈣的含量增加，密封膠的黏度也在逐漸增大，使用時流動性較差，影響密封膠的施工效果。

2.4 觸變劑用量對力學(xué)性能的影響

改變觸變劑用量，保持單組分濕固化聚氨酯密封膠其余組分用量不變，制備的密封膠力學(xué)性能見表4。

表4 觸變劑用量對力學(xué)性能的影響

觸變劑是聚氨酯密封膠的重要助劑之一，在密封膠在斜面或垂直面施工時，能夠有效防止密封膠料下垂、流淌和塌陷。氣相二氧化硅是最常用的觸變劑，從表4可以看出，隨著氣相二氧化硅用量的增加，密封膠的綜合性能略有提高，說明氣相二氧化硅具有一定的補強作用，但密封膠的黏度隨著觸變劑用量的提高也在逐漸增大，觸變劑含量過高會影響密封膠的正常施工。

2.5 炭黑用量對力學(xué)性能的影響

改變炭黑用量，固定單組分濕固化聚氨酯密封膠其余組分比例不變，制備的密封膠力學(xué)性能見表5。

表5 炭黑用量對力學(xué)性能的影響

炭黑具有一定的觸變性和補強性，在制備聚氨酯密封膠時加入一定量的炭黑能夠很好地改變其性能。而且炭黑顆粒表面有許多微孔，能夠吸附部分氣體，有效防止因氣體產(chǎn)生的膠層起泡現(xiàn)象。從表5可以看出，隨著炭黑添加量的提高，密封膠的硬度、拉伸強度和撕裂強度都有所提高，這是由于炭黑對于密封膠的補強所致。

3 結(jié)論

1) 隨著預(yù)聚體—NCO含量增加，密封膠的硬度、拉伸強度、300%定伸應(yīng)力和撕裂強度增大，拉斷伸長率降低。

2) 碳酸鈣類填料中納米碳酸鈣制成的密封膠綜合性能最好。

3) 納米碳酸鈣含量的增加使密封膠的硬度、拉伸強度和撕裂強度都逐漸提高，但含量過高會造成黏度較大。

4) 氣相二氧化硅用量的增加使密封膠的綜合性能略有提高，但含量過高會造成黏度較大。

5) 隨著炭黑添加量的提高，密封膠的硬度、拉伸強度和撕裂強度都有所提高。

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