新型彈性體的制備工藝及性能評價

摘 要：TPEE彈性體的制備工藝主要依賴于熱塑性聚酯（PET）的預(yù)聚物，通過加入交聯(lián)劑、增強劑等原料，進行預(yù)聚物加工和成型。常用的加工方法包括擠出、注塑、吹塑、壓縮和轉(zhuǎn)移成型等。其中，擠出成型是一種常用的制備TPEE彈性體的方法，可利用雙螺桿擠出機和單螺桿擠出機實現(xiàn)成型。制備TPEE彈性體時，需要控制不同的工藝參數(shù)，包括加工溫度、加工速度和模具溫度等，來保障產(chǎn)品品質(zhì)和性能。調(diào)整這些參數(shù)可以實現(xiàn)TPEE彈性體的不同表觀形態(tài)如顏色、硬度和厚度等，以滿足不同工業(yè)領(lǐng)域的需求。

關(guān) 鍵 詞：TPEE；彈性體；聚氨酯；制備工藝

中圖分類號：TQ016 文獻標志碼： A 文章編號： 1004-0935（2024）08-1207-04

聚氨酯材料作為五大合成材料之一，自40年代問世以來一直在得到廣泛發(fā)展。聚氨酯彈性體，作為聚氨酯材料中的佼佼者，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。隨著聚氨酯材料的發(fā)展，機械自動化變得越來越重要[1-3]。因此，各大公司開始研發(fā)聚氨酯加工成型機械，如反應(yīng)注射成型（RIM）機。這些先進成型機的出現(xiàn)推動了聚氨酯彈性體的發(fā)展，全球?qū)郯滨椥泽w的需求急劇增加。早期的RIM技術(shù)主要用于制作聚氨酯泡沫塑料，但隨著聚氨酯彈性體的出現(xiàn)，對RIM技術(shù)的要求也隨之提高。半預(yù)聚物法是RIM成型聚氨酯彈性體的主要方法之一。聚氨酯成型機有高壓和低壓兩種，低壓機主要使用機械攪拌式混合[4-7]。然而，這種方法的轉(zhuǎn)速通常需要在

3000～18000r·min-1，這對機器的功率和能耗都有很高的要求。因此，英國的科學(xué)家提出了一種新思路：將兩種物料分別送入環(huán)形混合室和開孔旋轉(zhuǎn)裝置中，利用轉(zhuǎn)子光滑表面在旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生的剪切作用進行混合，形成以液滴形式的分散相均勻分布在作層流流動的連續(xù)相中的狀態(tài)，這種方法稱為旋轉(zhuǎn)注射-反應(yīng)注射成型（RIRIM）[8-13]。根據(jù)這種思路，內(nèi)江化工學(xué)院進行了大量的研究工作并開發(fā)了一種新型RIRIM機。該機具有工作能耗小的優(yōu)點，并且經(jīng)過實驗證明，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于2000r·min-1時也能達到很好的混合效果。這項科研成果得到國家鑒定。要制造理想的聚氨酯彈性體，必須確定合適的工藝條件。通常，半預(yù)聚物法是制備聚氨酯彈性體的主要方法之一。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

聚酯：聚酯是由二元羧酸（如乙二酸）和二元醇（如乙二醇）反應(yīng)產(chǎn)生的聚合物；彈性體：彈性體是指能夠長期保持高彈性和彈性恢復(fù)性的材料；助劑：除了聚酯和彈性體之外，TPEE的制備中還通常使用一些助劑，如穩(wěn)定劑，潤滑劑，填料等；聚酯多元醇是指多個羥基官能團的聚酯化合物，通常用于TPEE中的彈性體組分，它的特點是具有良好的拉伸性和彎曲性，能夠為TPEE產(chǎn)品提供出色的彈性和抗疲勞性能；功能添加劑：功能添加劑主要包括潤滑劑、穩(wěn)定劑、防氧劑、抗氧劑等，它們能夠改善TPEE的加工性能、降低熱膨脹系數(shù)、提高耐熱性、防止變黃、協(xié)同阻燃等；填料：填料可以增強TPEE的力學(xué)性能和穩(wěn)定性，常用的填料包括玻璃纖維、碳纖維、鋁粉、硅酸鹽、石墨等；反應(yīng)助劑：反應(yīng)助劑是指能夠促進聚合反應(yīng)的化合物，如硬脂酸等。

1.2 主要儀器設(shè)備

TPEE（熱塑性聚酯彈性體）的制備過程中需要使用多種儀器設(shè)備，下面是一些主要的儀器設(shè)備：混合器用于混合和攪拌聚酯和彈性體等各種原料，達到所需比例；擠出機用于將混合好的原料塑化并擠出成型，可以將不同形狀（通常是管狀或棒狀）的TPEE制品制成；注塑機用于把TPEE原料充注到模具中，通過高溫和高壓加工成型，制成所需的形狀和尺寸的TPEE制品；傳熱油爐用于提供加熱過程中所需的熱源，控制加熱溫度，使原料能夠充分塑形；模具用于成型TPEE原料成所需形狀的產(chǎn)品，通常是用金屬制成；真空爐用于熱處理TPEE材料，通常用于去除材料中的氣泡和提高材料的強度和耐熱性；實驗室設(shè)備包括天平、拉伸試驗機、熔流率儀、顯微鏡等，用于對TPEE材料進行相關(guān)物理、化學(xué)性能的測試和分析。

1.3 彈性體制備

準備原材料：根據(jù)配方需要準備聚酯、彈性體（比如聚酯多元醇和聚丁二烯）、填料、潤滑劑、穩(wěn)定劑等原材料，并確保原材料的質(zhì)量和比例準確；混合原材料：用混合器混合聚酯、彈性體、填料、潤滑劑、穩(wěn)定劑等原材料，達到所需的比例和均勻混合；加熱原材料：通過傳熱油爐等設(shè)備將混合好的原材料加熱到高溫狀態(tài)，使其溶解和塑化；擠出加工成型：將加熱后的原材料喂入擠出機，進行擠出加工成型。這里可以選擇不同的形狀，比如管狀或板狀等。擠出成型后，TPEE進入冷卻水箱中進行冷卻，在冷卻水箱中通水，以確保TPEE產(chǎn)品具有均勻的外觀和尺寸；檢驗和質(zhì)量控制：通過熔流率儀、拉伸試驗機、顯微鏡等設(shè)備對制備好的TPEE材料進行檢驗，以確保產(chǎn)品的物理和化學(xué)性能，同時進行必要的質(zhì)量控制。

2 彈性體拉伸性能評價

2.1 成型溫度的影響

聚酯多元醇與TDI反應(yīng)制得質(zhì)量分數(shù)為10%的NCO的預(yù)聚物，通過MOCA擴鏈反應(yīng)制備TPEE熱塑性聚酯彈性體。通過改變成型溫度，測定其對力學(xué)性能的影響，實驗結(jié)果如表1所示。成型的壓力為10MPa，成型時間為1h，100℃熟化24h。

需要注意的是，由于TPEE的成型溫度會影響其分子鏈的排布和有序性，因此改變成型溫度可能會對TPEE的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。根據(jù)實驗結(jié)果，隨著成型溫度的升高，TPEE的彈性模量和極限強度逐漸增加，而斷裂伸長率逐漸減小。這是因為當成型溫度升高時，TPEE聚合物分子鏈的排列更緊密，分子間作用力變強，使得TPEE材料變得更加結(jié)實，同時也會導(dǎo)致其塑性變形能力降低，從而降低其斷裂伸長率。可以根據(jù)具體情況選擇合適的成型溫度，以實現(xiàn)最佳的TPEE強度和延展性能。需要注意的是，這只是基于該實驗的一般觀察結(jié)果，真實的制備過程中，成型溫度對TPEE性能的影響還需要綜合考慮其他參數(shù)，如原材料特性，加工工藝等。

2.2 成型壓力的影響

在TPEE熱塑性聚酯彈性體的生產(chǎn)過程中，RIRIM機注射壓力是一個非常重要的參數(shù)，它會影響到制品的質(zhì)量和性能。然而，直接改變注射壓力比較困難，因此可以采用成型壓力作為變量，保持成型溫度不變，考察不同成型壓力對彈性體力學(xué)性能的影響。表2是一組相關(guān)實驗結(jié)果，顯示了不同成型壓力所造成的影響。

通過實驗結(jié)果，可以看到，隨著成型壓力的升高，TPEE 彈性體的彈性模量和極限強度逐漸提高，而斷裂伸長率則逐漸降低。這是因為成型壓力是直接作用在注入熔融物料的模具上的，隨著成型壓力的增加，TPEE彈性體的分子鏈排列變得更加緊密，釋放更多的能量，從而提高了其強度，但也會抑制彈性體的形變，使得其斷裂伸長率降低?？梢愿鶕?jù)實際需求選擇適宜的成型壓力，以滿足產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求。需要注意的是，成型壓力只是TPEE熱塑性聚酯彈性體制備性能的一個方面，其力學(xué)性能受到的影響也跟其他因素（如成型溫度、注射時間、熟化時間等）密切相關(guān)，并需要綜合考慮及進行合理設(shè)計。

2.3 后熟化時間的影響

在TPEE熱塑性聚酯彈性體的制備過程中，多元醇是重要的原料之一，通常使用聚酯二元醇等多元醇與 TDI 反應(yīng)，制得含有一定量NCO的預(yù)聚物，然后通過擴鏈劑（如DADMT和Isonolc100的混合物）進行擴鏈反應(yīng)制備TPEE熱塑性聚酯彈性體。表3中顯示了不同后熟化時間條件下，彈性體力學(xué)性能的變化情況。

通過實驗結(jié)果，可以看到，隨著后熟時間的增加，TPEE彈性體的彈性模量和極限強度逐漸提高，而斷裂伸長率則逐漸降低。這是由于后熟化過程會使得TPEE彈性體分子鏈排列更加緊密，釋放更多的能量，從而提高其強度，但同時也會抑制彈性體的形變，使得其斷裂伸長率降低。一定程度的后熟化可以使得彈性體力學(xué)性能得到提高，但過度后熟化則會影響其良好的延展性能。

需要注意的是，在實際制備過程中，后熟化時間的選擇應(yīng)該綜合考慮制品的使用要求以及生產(chǎn)效率等因素，以達到最優(yōu)的產(chǎn)品質(zhì)量和效益。另外，也需要控制其他參數(shù)（如成型溫度、成型壓力等）以實現(xiàn)更加一致和可靠的成品質(zhì)量。

2.4 硬度影響分析

TPEE熱塑性聚酯彈性體的硬度和強度是評價其質(zhì)量和可靠性的兩個重要指標，而這些性能取決于所使用的聚醚種類和分子質(zhì)量。聚醚的分子結(jié)構(gòu)和分子量不同，對產(chǎn)品的力學(xué)性能產(chǎn)生影響。一般來說，較高分子量的聚醚相對較硬、強度相對較高，但也可能導(dǎo)致制品的脆弱和易碎性。在生產(chǎn) TPEE 熱塑性聚酯彈性體時，需要綜合考慮產(chǎn)品所需的硬度和強度等性能要求，并選擇合適的聚醚種類和分子質(zhì)量。在實驗室進行了對產(chǎn)品硬度的分析，具體實驗結(jié)果如表4所示。

通過實驗結(jié)果，可以看出不同聚醚種類和分子質(zhì)量的TPEE硬度不同。具體來說，聚丙二酸丁二醇酯（Mn=3000）的硬度最高，為95 Shore D，而聚己內(nèi)酯二元醇（Mn=1500）則具有較低的硬度（88 Shore D），聚醚碳酸酯二元醇（Mn=2000）的硬度為91 Shore D。根據(jù)這些實驗結(jié)果，可以選擇不同聚醚種類和分子質(zhì)量，以滿足產(chǎn)品的硬度和強度等性能要求。當然，選取合適的聚醚種類和分子量只是制備TPEE的一個方面，實際生產(chǎn)中還需要綜合考慮其他因素，如加工工藝、成型溫度、成型壓力等，以實現(xiàn)最佳的產(chǎn)品質(zhì)量和性能。

2.5 拉伸強度影響分析

TPEE熱塑性聚酯彈性體是一種重要的高分子材料，其物理機械性能對其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。聚醚種類和分子鏈結(jié)構(gòu)的不同，對其拉伸強度產(chǎn)生影響。因此，對聚醚材料的研究和掌握，對其材料性能的提升和應(yīng)用的拓展非常重要。在實驗室中進行了拉伸強度的測試，具體實驗結(jié)果見表5。

通過實驗結(jié)果，可以看到，不同聚醚種類和分子量對 TPEE 的拉伸強度有所影響。具體來說，聚對苯二甲酸丁二醇酯（Mn=2000）的拉伸強度最高，為52.4MPa，而聚己內(nèi)酯二元醇（Mn=1500）和聚乙二醇酸（Mn=1500）的拉伸強度分別為48.9MPa和45.2MPa。在實際生產(chǎn)中需要根據(jù)制品的使用要求選擇合適的聚醚種類和分子量，以滿足制品的各種性能要求。然而，只選取適合的聚醚種類和分子量并不能保證產(chǎn)品具有穩(wěn)定的性能，還需要對其他因素（如制備溫度、壓力等）進行充分考慮和控制，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量和性能穩(wěn)定可靠。

2.6 彈性性能研究

TPEE是一種熱塑性聚酯彈性體，通常由聚酯、聚醚或聚酰胺作為硬段，和聚醚、聚酯或聚酰胺作為軟段組成。這種材料具有良好的耐熱性、抗寒性、耐化學(xué)腐蝕性和優(yōu)秀的機械性能。它不僅可以作為獨立的材料使用，還可以與其他材料共混或復(fù)合，以滿足不同應(yīng)用的需求。在TPEE的制備過程中，聚醚種類、分子量和比例等因素對其性能影響很大如表6。

在實驗結(jié)束后的數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)聚醚種類對產(chǎn)品回彈性能有很大的影響，其中聚醚A-1000的產(chǎn)品表現(xiàn)出較好的回彈性能，而聚醚A-1500和聚醚A-2000的表現(xiàn)則有所下降。此外，隨著聚醚分子量的增加，聚醚A產(chǎn)品的回彈性能下降趨勢大于聚醚B產(chǎn)品。這是因為聚醚A的分子量增加會增加其剛性，從而導(dǎo)致在撞擊時損失更多的能量，從而減少回彈性能。研究還發(fā)現(xiàn)，對TPEE中聚醚的比例增加，其回彈性能呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。這是因為比例較低時，材料比較剛性，擺錘與材料撞擊時損失能量較少，因此回彈率結(jié)果較大。但聚醚比例增大后，TPEE材料的剛性逐漸降低，材料自身的彈性逐漸提升，在沖擊回彈時材料先吸收能量，然后釋放能量，從而達到高回彈率。聚醚種類、分子量和比例等因素對TPEE的性能有著明顯的影響。因此，在TPEE的研究和開發(fā)中，必須充分考慮這些因素，以便能夠生產(chǎn)出具有良好性能的TPEE材料，以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求。

3 結(jié) 論

1）熱塑性彈性體在工業(yè)和生活當中都有著極為廣泛的應(yīng)用，必須對其制備工藝進行更加有效地改進，能夠讓其提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量，使其更好地為生產(chǎn)而服務(wù)。要研制和生產(chǎn)高質(zhì)量的TPEE熱塑性彈性體，首先要科學(xué)地選擇配方和合理的加工工藝，同時還必須做好配方設(shè)計、工藝設(shè)計、加工設(shè)備等方面的工作。

2）選擇優(yōu)質(zhì)的原料，防止污染和混雜等問題，要研制生產(chǎn)高質(zhì)量的TPEE熱塑性彈性體產(chǎn)品，還需要不斷地探索、總結(jié)和改進，彈性體是一種特殊的材料，其性能包括彈性模量、屈服強度、斷裂韌性、耐磨性等。

3）對彈性體性能研究認為：材料的選擇和制備是影響彈性體性能的重要因素，優(yōu)質(zhì)的彈性體應(yīng)該具有良好的彈性、斷裂韌性和耐磨性等特性。可以通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)、改變材料組分、添加增強劑等方法來增強材料的強度和韌性；壓縮應(yīng)力松弛、蠕變、疲勞等都會導(dǎo)致彈性體失去其原有的性能，因此需要研究彈性體的耐久性，減少其損壞；開發(fā)新型高強度、高韌性、高耐久性和環(huán)境友好性的彈性體材料，不僅能提高其性能，還能滿足不同領(lǐng)域的需求。采用定量分析技術(shù)，如有限元分析、分子模擬等手段，對彈性體性能進行深入研究，從而為優(yōu)化材料、改進設(shè)計、降低成本等提供理論支持。

參考文獻：

［1］曹雯靜，溫偉芬，陳慶.電滲析復(fù)分解技術(shù)實現(xiàn)無機鋰鹽增值的研究[J].遼寧化工，2023，52（2）：190-193.

［2］楊政，馬寧，鈕晨光，等.磁場增強各向異性結(jié)構(gòu)電流變彈性體的制備[J/OL].復(fù)合材料學(xué)報：1-10[2023-05-26]。．

［3］文敬濱，龔光碧，馮裕智，等.PA1211-b-PEG彈性體的制備與性能[J].塑料，2023，52（2）：101-107．

［4］孫緒兵，李雙利，唐青梅，等.新型單寧基絮凝劑的制備及對Cu～（2+）去除[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2022，37（8）：58-62.

［5］唐星星，程圣遠，王堅堅.基于碳材料-納米金的生物傳感器研究進展[J].遼寧化工，2023，52（2）：251-254.．

［6］黃華.基于TRIZ與EE-FBS的大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗方法探索[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2023，38（2）：120-126．

［7］簡寧，胡紀堯，張然，等.殼聚糖復(fù)合吸附材料的制備研究進展[J].遼寧化工，2023，52（2）：259-261．

［8］李汶倢，蔡帥，何義濤，等.Mn（45）Ni（45）Sn（11-x）Alx合金相關(guān)系與磁相變研究[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2022，37（10）：53-60．

［9］劉兆陽，房玉俊，韓勝奎，等.持久抗靜電聚氨酯彈性體的制備及性能研究[J].化學(xué)推進劑與高分子材料，2023，21（1）：54-57．

［10］李剛，陳頎，胡國良，等.磁流變彈性體力學(xué)性能與磁流變效應(yīng)研究進展[J].磁性材料及器件，2023，54（1）：98-107.

［11］汪樂春，沙浩鵬，徐強.聚醚-聚酯混合型聚氨酯微孔彈性體的性能研究[J].聚氨酯工業(yè)，2022，37（6）：35-38.

［12］趙曉磊，尹永強，邢攸為，等.海管封堵用聚乙烯醇彈性體的制備及性能[J].設(shè)備管理與維修，2022（24）：24-26.

［13］何桃順，李沁林，劉淞.Post Crash模型下障礙期權(quán)定價的有限差分方法[J].內(nèi)江師范學(xué)院學(xué)報，2021，36（4）：32-36.