白炭黑/聚氨酯彈性體涂層的制備及性能研究

龍宇飛 鄧順利 張智嘉

（1. 海裝沈陽局駐哈爾濱地區(qū)第二軍事代表室，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 教育部超輕材料和表面技術(shù)重點實驗室，哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

聚氨酯彈性體（Polyurethane Elastomer， PUE）是大分子主鏈上含有較多氨基甲酸酯基官能團(tuán)（-NH-CO-O-）的一類彈性體聚合物，是典型的多嵌段共聚物，又叫聚氨酯橡膠或液體橡膠，廣泛的應(yīng)用在汽車、建筑、礦山、鞋業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域[1,2]。隨著科技的不斷發(fā)展，人們對材料的物理、力學(xué)性能的要求也越來越高，添加納米粒子是聚氨酯提高理化性能的有效手段之一[3,4]。

白炭黑的分子式為SiO2?nH2O，在高溫下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對活性成分也有著良好的相容性，廣泛應(yīng)用在涂料、陶瓷、塑料等多個領(lǐng)域[5]。白炭黑一般做橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑或填充劑，在橡膠鞋底中添加白炭黑可以讓鞋底變成透明或不透明的淺色，還能提高產(chǎn)品的耐磨性、拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能。因此，將白炭黑與聚氨酯彈性體相結(jié)合，制備出白炭黑/聚氨酯彈性體涂層，考察白炭黑對聚氨酯彈性體涂層的力學(xué)性能影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 材料與儀器

聚氨酯A料、聚氨酯B料，工業(yè)級，青島匯智領(lǐng)先新材料科技有限公司；白炭黑，工業(yè)級，德國德固賽有限公司。

JM-B 20002型電子天平，XY-6074型橡膠沖擊回彈實驗機(jī)，BYES-2000型微量水分測定儀，Instron-5967高低溫萬能試驗機(jī)，LX-A邵爾橡膠硬度計。

1.2 聚氨酯彈性體涂層的制備

將聚氨酯A料與聚氨酯B料分混合均勻（A料與B料的質(zhì)量比為2.3:1），于真空干燥箱中抽真空2 min，倒入噴覆有脫模劑的模具中，保持聚氨酯涂層的厚度為2.5 mm，再次于真空干燥箱中抽真空7 min，固化7d后脫模。

1.3 白炭黑/聚氨酯彈性體涂層的制備

將白炭黑與聚氨酯B料混合均勻，再與聚氨酯A料混合均勻（A料與B料的質(zhì)量比為2.3:1，白炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1wt%、0.5wt%、1.0wt%、1.5 wt%、2.0wt%、2.5wt%），如表1所示，攪拌均勻后于真空干燥箱中抽真空2min，倒入噴覆有脫模劑的模具中，保持聚氨酯膜的厚度為2.5mm，再次于真空干燥箱中抽真空7min，固化7d。

表1 白炭黑/聚氨酯彈性體涂層的制備配方

2 結(jié)果與討論

2.1 白炭黑形貌分析

白炭黑的光學(xué)照片和掃描電子顯微鏡照片如圖1所示，從圖1（a）中可以看到，白炭黑為白色粉末狀固體。圖1b中的白炭黑粒徑約為20nm，有一定的團(tuán)聚現(xiàn)象。

圖1 (a)白炭黑照片 (b)白炭黑掃描電子顯微鏡照片

2.2 白炭黑/聚氨酯彈性體涂層的形貌分析

不同白炭黑添加量的聚氨酯薄膜如圖2所示，隨著白炭黑添加量的增多，聚氨酯薄膜的透明性降低不明顯。當(dāng)白炭黑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5wt%時（PU/Si-6），涂層發(fā)黃，且表面凹凸不平，這是因為白炭黑的過多加入使得體系粘度增加，聚氨酯的流動性變差，涂層在固化過程中不能自流平。

圖2 不同白炭黑含量的聚氨酯彈性體涂層照片

不同白炭黑含量的聚氨酯的截面掃描電鏡照片如圖3所示，可以看出，白炭黑在聚氨酯中分布比較均勻，但主要以團(tuán)聚形式分散在聚氨酯彈性體涂層中，且可以明顯觀察到隨著白炭黑添加量的增多，在聚氨酯中的白炭黑團(tuán)聚粒越來越多。

圖3 不同白炭黑含量的聚氨酯的截面掃描電鏡圖片

2.3 密度分析

由圖4可以看出，聚氨酯的密度隨著白炭黑添加量的不同沒有發(fā)生顯著變化。分析主要有以下原因。其一是白炭黑的添加量比較少。其二是當(dāng)白炭黑被添加到聚氨酯中混合均勻時，只有其實體體積在影響聚氨酯體積，因此對聚氨酯體積的影響比較小，對聚氨酯的質(zhì)量影響也不明顯。

圖4 不同白炭黑含量的聚氨酯的密度

2.4 力學(xué)性能分析

不同白炭黑含量的聚氨酯的拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、拉伸模量如表2和圖5所示。可以看出，較之于純聚氨酯，摻入了白炭黑的聚氨酯的斷裂伸長率、拉伸強(qiáng)度都有所提高。當(dāng)白炭黑的添加量為2.0wt%時，聚氨酯的拉伸強(qiáng)度最大；斷裂伸長率最大；此后，隨著白炭黑添加量的增多而有所降低。

圖5 不同白炭黑含量的聚氨酯的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 白炭黑改性聚氨酯的拉伸性能

聚氨酯被拉伸時，纏結(jié)的分子鏈打開，小的應(yīng)力會引起大的應(yīng)變，連續(xù)的拉伸使得分子鏈整齊排列，從而應(yīng)力增大，所以整體來看聚氨酯的應(yīng)力應(yīng)變曲線呈現(xiàn)線性趨勢。由于白炭黑顆粒比表面積大，將其摻入聚氨酯中后，負(fù)載從聚氨酯基體轉(zhuǎn)移到白炭黑顆粒，使得材料的拉伸強(qiáng)度提高。白炭黑還起到潤滑的作用，使得分子鏈的流動性增強(qiáng)，使得材料的斷裂伸長率提高。

3 結(jié)語

本實驗使用的白炭黑為納米級，存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，但僅當(dāng)含量超過2.5wt%時，白炭黑的團(tuán)聚影響涂層透明性和自流平。因此，當(dāng)白炭黑的含量低于2wt%時，制備的白炭黑/聚氨酯彈性體涂層仍能保留聚氨酯的透明性，同時能夠提高聚氨酯的力學(xué)性能；當(dāng)白炭黑的加入量為2wt%時，白炭黑/聚氨酯彈性體涂層的力學(xué)性能最佳，拉伸強(qiáng)度為5.11 MPa，斷裂伸長率為352%。