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阻燃抗静电聚氨酯的制备与性能

文章来源:2016聚氨酯年会 添加时间:2019-02-28
翟 丽  庞坤玮
(东莞市华工百川新材料科技有限公司    广东东莞 523141)
       
    摘  要:以低聚物聚酯多元醇和2,4-甲苯二异氰酸酯(TDI)合成预聚体,以3,3′-二氯-4,4′-二氨基二苯甲烷(MOCA)为扩链剂,加入阻燃剂和抗静电剂制备浇注型聚氨酯弹性体。讨论了低聚物聚酯多元醇类型、预聚体NCO基含量、抗静电剂和阻燃剂添加量对 CPUE性能影响。结果表明,预聚体NCO质量分数为4.30%、抗静电剂用量为4%,阻燃剂用量为7% 时,制得的CPUE的力学性能和阻燃抗静电性能,能够满足皮带清扫器的使用要求。
    关键词:聚氨酯弹性体;抗静电;阻燃;力学性能
   
    皮带机又名胶带输送机,广泛应用于各种大中型重工业的传输机械,皮带清扫器作为皮带机上的清扫装置,在电力、冶金、矿山及港口码头等行业起着重要的作用 [1~2]。聚氨酯(PU)皮带清扫器具有磨擦系数低、高耐磨、高强度,耐腐蚀等特性,使用寿命为传统合金橡胶清扫器的3~4倍,使用非常广泛。皮带清扫器在很多应用场合需要阻燃抗静电的要求,但是没有经过任何处理的聚氨酯弹性材料,氧指数为19%~20%,属于可燃物质 [3],并且体积电阻率一般介于1013~1015 Ω·cm[4],远达不到阻燃抗静电的要求。   
    针对皮带清扫器需求的阻燃和抗静电效果,本研究采用低聚物聚酯多元醇和二异氰酸酯合成聚氨酯,以小分子二胺为扩链剂,加入阻燃剂及抗静电剂来制备皮带清扫器用的浇注型聚氨酯弹性体(CPUE),分析并讨论了低聚物多元醇种类、预聚体NCO含量、抗静电剂用量及阻燃剂用量对CPUE的力学性能及阻燃抗静电效果的影响。
 
1    实验部分
 
1.1    原材料及测试仪器   
    聚己二酸乙二醇酯二醇(PEA,M n=1000、2000),烟台华大化学工业有限公司;聚己二酸二甘醇酯二醇(PEDA,M n=1500),烟台华大化学工业有限公司;聚己内酯二醇(PCL, M n=1000、2000),日本大赛璐化学工业公司;2,4- 甲苯二异氰酸酯(TDI),德国拜耳公司;3,3′- 二氯-4,4′- 二氨基二苯甲烷(MOCA),苏州市湘园特种精细化工有限公司;抗静电剂,AT-P5,广州市建之皓生物科技有限公司;阻燃剂,Antiblaze VE-95,美国雅宝公司。 以上原料均为工业级。     
    JX-J12 电子万能试验机,深圳市新三思材料检测有限公司;CT-6A 橡胶回弹性试验机,上海正吉橡塑仪器设备有限公司;LX-A 型硬度计,上海精密仪器仪表设备有限公司;FA2004N 电子分析天平,上海精密科学仪器有限公司;PC40B 型数字绝缘电阻测试仪,上海安标电子有限公司;燃烧试验箱。
1.2    预聚体合成及 CPUE 制备   
    在三口烧瓶中加入一定量的低聚物多元醇,在 100 ~ 120 ℃下真空脱水2 ~ 3 h,降温至50 ~ 60 ℃,加入计量的阻燃剂和TDI,于80 ~ 85 ℃下反应2h,停放12h以上待反应完全后测NCO含量,密封备用。  
    将预聚体加热至 80 ℃,加入计量的抗静电剂及扩链剂,迅速搅拌均匀,倒入预热好的模具中,100 ℃下于平板硫化机硫化30 min,再在 100 ℃烘箱硫化12h,室温放置3d 后测试性能。
1.2     皮带清扫器用 CPUE性能要求   
    皮带清扫器用 CPUE性能要求见表 1。
表 1   CPUE性能要求
1.3     性能测试  
硬度按照 GB/T 531.1—2008标准测定,拉伸应力-应变性能按照 GB/T 528—2008标准测定,撕裂强度按照 GB/T 529—2008标准测定,回弹按 GB/T 1681—2009标准测定,阻燃抗静电性能按 MT113—1995标准测定。
 
2    结果与讨论
 
2.1    低聚物聚酯多元醇对 CPUE力学性能的影响   
    聚酯型聚氨酯弹性体的力学性能优于聚醚型聚氨酯弹性体,实验分别采用3 种聚酯多元醇做聚氨酯软段,TDI作其硬段,NCO质量分数设定为4.30%,预聚体法合成预聚物,不添加阻燃剂及抗静电剂,以 MOCA为扩链剂,制备3种CPUE,以考察不同种类的聚酯多元醇对 CPUE力学性能的影响。结果如表 2 所示。
表 2    低聚物聚酯多元醇对 CPUE力学性能的影响
    由表 2 中可以看出,在预聚体 NCO 含量相同的条件下,聚酯多元醇 PEDA 制得的 CPUE综合力学性能较差,PEA和 PCL制得的CPUE综合力学性能相差不大,但是PCL的成本较高,不利于工业化生产,所以选用PEA做为原料。
2.2   预聚体 NCO 含量对 CPUE性能的影响     
    预聚体NCO含量对 CPUE力学性能的影响很大,本实验选用PEA做软段,TDI 和 MOCA为硬段,在不添加阻燃剂和抗静电剂的条件下,研究预聚体 NCO 含量对CPUE力学性能的影响,结果见表 3。
表 3    预聚体 NCO 基含量对 CPUE力学性能的影响
    由表3 可知,CPUE的硬度、拉伸强度和撕裂强度随着预聚体中NCO含量的增加而增加,而断裂伸长率却随之下降。这是因为提高了预聚体NCO含量,相应的硬段含量也在增加,软段含量随之减少,弹性体中苯环、氨基甲酸酯基等刚性基团的相对含量增加,CPUE 分子间氢键和作用力增强,因此整体表现为硬度、拉伸强度和撕裂强度均明显上升,当 NCO 含量较高时,制成的弹性体在硬段微区容易出现缝隙或缺陷,即在受到应力作用时,扯断伸长率不升反降 [5]。考虑到加入抗静电剂和阻燃剂后会进一步降低材料各项性能,因此选择预聚体NCO质量分数为4.30% 为最佳。
2.3    抗静电剂对 CPUE力学性能的影响      
    实验选用PEA与TDI为主要原料,NCO质量分数为4.30%,不加阻燃剂,添加不同量的抗静电剂来降低 CPUE的表面电阻,考察抗静电剂的添加量对 CPUE的力学性能及表面电阻的影响。
表 4   抗静电剂对 CPUE力学性能的影响
    从表 4 可以看出,随着抗静电剂添加量的增加,CPUE的硬度、拉伸强度、撕裂强度等力学性能呈下降趋势,而断裂伸长率提高。原因分析,抗静电剂为液态填料,具有增塑作用,加入到CPUE的基体中,增大了聚氨酯分子间距离,降低分子间的相互作用力,大分子链的极性减弱,氢键作用力降低,因此随着抗静电剂使用量的增大材料的力学性能均有所降低。另一方面,CPUE的表面电阻随着抗静电剂用量的增加而减少,表面电阻越小,抗静电效果越好。但是在抗静电剂质量分数超过4%后,表面电阻降低趋势减小,力学性能下降趋势增加。所以抗静电剂添加量为4% 时就能满足CPUE的抗静电要求,同时有相对优异的力学性能。
2.4    阻燃剂对 CPUE力学性能的影响  
    实验选用 PEA与TDI为主要原料,固定抗静电剂剂质量分数为4%时,NCO质量分数为4.30%,加入阻燃剂来提高CPUE的阻燃性。实验中采用了反应型和内掺型 2 种阻燃剂,由于内掺型对 CPUE力学性能影响很大,实验效果不佳。所以选择反应型阻燃剂进行实验,结果见表 5。
表 5   阻燃剂对 CPUE力学性能的影响
    实验采用是反应型阻燃剂,这类阻燃剂是把阻燃元素引入聚醚多元醇或者异氰酸酯中,使聚氨酯分子中直接含有可阻燃元素,而达到阻燃的目的 [4]。反应型阻燃剂具有良好的稳定性,对综合力学性能的影响较小。从表 5 可以看出,阻燃剂添加量为7%时就可以满足 CPUE的阻燃效果。
 
3   结论
   
    选用 PEA 和TDI为主要原料合成预聚体,采用MOCA 为扩链剂制备的 CPUE,当NCO 质量分数为4.30%,抗静电剂质量分数为4%,阻燃剂质量分数为7%时,制得的CPUE具有良好的力学性能和阻燃抗静电性能,适合制备皮带机上的皮带清扫器。
参  考  文  献
[1]    郭瑞 . 聚氨酯皮带清扫器在恶劣工矿下的应用及改进措施 [J]. 矿山科技,2011(8):192.
[2]    雷建华 . 浅谈运输皮带组合旋转式清扫器 [J]. 科技与市场 , 2013, 20 (11):18-20.
[3]    山西省化工研究所 . 聚氨酯弹性体 [M]. 北京:化学工业出版社 , 2012.
[4]    阻燃抗静电聚氨酯的制备及性能研究 [D]. 青岛 : 青岛科技大学 , 2014.
[5]    陈万滨 . 浇注型聚氨酯弹性体耐油性能与结构的关系研究 [D]. 广州 : 华南理工大学 , 2011.
 
The Preparation and Properties of Flame Retardant and Antistatic Polyurethane
 ZHAI Li,PANG Kunwei
( Dongguan Huagong Bestry New Material Technology Co. Ltd, Dongguan, Guangdong 523141, China)
       
    Abstract: The casting polyurethane elastomers (CPUE) were prepared with the prepolymer and the chain extender by prepolymer method. The prepolymer was synthesized using polymeric polyester polyol and toluene diisocyanate(TDI), the chain extender was 3,3′-dichloro-4,4′-diaminodiphenyl methane(MOCA). The effect of polymeric polyester polyol types, the NCO concentration in prepolymer, the amount of antistatic agent and fire retardant agent on the menchanical properties of CPUE was researched. The result showed that, when the NCO concentration in prepolymer was 4.30%, the amount of antistatic agent was 4%, and the amount of flame retardant agent was 7%, it was suitable for belt cleaning gear.       
    Keywords: polyurethane elastomer;antistatic;flame retardant;mechanical property
 
作者简介:翟丽   女,1986 年出生,华南理工大学硕士研究生,主要从事聚氨酯弹性体材料的研究。
 

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