特种合成橡胶:氨酯橡胶PUR

聚氨酯橡胶是聚合物主链上含有较多的氨基甲酸酯基团的系列弹性体,实际应该是聚氨基甲酸酯橡胶,简称聚氨酯橡胶或聚氨酯弹性体。聚合物链除含有氨基甲酸酯基团外,还含有酯基、醚基、脲基、芳基和脂肪链等。通常是由低聚物多元醇、多异氰酸酯和扩链剂反应而成。聚氨酯橡胶随使用原料和配比、反应方式和条件等的不同,形成不同的结构和品种类型。
一、聚氨酯橡胶的分类
聚氨酯可以制成橡胶,塑料、纤维及涂料等。它们的差别主要取决于链的刚性、结晶度、交联度及支化度等。混炼型橡胶的刚性和交联度都是较低的,浇注型橡胶的交联度比混炼型橡胶要高,但刚性和结晶度等都远比其他聚氨酯材料低,因而它们有橡胶的宝贵弹性。但聚氨酯橡胶和其他通用橡胶相比,其结晶度和刚性远高于其他橡胶。
聚氨酯橡胶传统的分类是按加工方法来划分的,分为浇注型聚氨酯橡胶、混炼型聚氨酯橡胶和热塑型聚氨酯橡胶。由于使用的原料、合成和加工方法以及应用目的等不同,又出现了反应注射型聚氨酯橡胶(RIMPU)和溶液分散型聚氨酯橡胶。按形成的形态则分为固体体系和液体体系。也有按原料化学组成来分的,低聚物多元醇一般有聚酯类或聚醚类之别,因而有聚醚类聚氨酯橡胶和聚酯类聚氨酯橡胶,为便于叙述我们采用按原料的化学组成来划分。
二、聚氨酯橡胶的性能
聚氨酯橡胶的结构特性不仅决定了它具有宝贵的综合物理机械性能,而且也使聚氨酯橡胶可通过改变原料的组成和相对分子质量、以及原料配比来调节橡胶的弹性、耐寒性以及模量、硬度和机械强度等性能。其通性如下:
1)弹性好。即使硬度高时,也富有较高的弹性;
2)硬度范围宽。最低为10(邵尔A),大多数制品具有45~95(邵尔A)的硬度,当硬度高于70(邵尔A)时,拉伸强度及定伸应力都高于天然橡胶,当硬度达80~90(邵尔A)时,拉伸强度、撕裂强度和定伸应力都相当高;
3)耐磨性极好。其耐磨性比天然橡胶高9倍,比丁苯橡胶高3倍;
4)耐氧、臭氧及紫外线辐射作用性能佳;
5)耐寒性能较好。
6)具有很高的拉伸强度(一般为28~42MPa,甚至可高达70MPa以上)和撕裂强度;
7)扯断伸长率大。一般可达400%~600%,最大可达1000%;
9)气密性好。当硬度高时,气密性可接近于丁基橡胶;
但是,由于聚氨酯橡胶的二级交联作用在高温下被破坏,所以其拉伸强度、撕裂强度、耐油性等都随温度的升高而明显下降。聚氨酯橡胶长时间连续使用的温度界限一般只为80~90℃,短时间使用的温度可达120℃。其次,聚氨酯橡胶虽然富于弹性,但滞后损失较大,多次变形下生热量高。
聚氨酯橡胶的耐水性差,也不耐酸碱,长时间与水作用会发生水解。但聚醚型的耐水性优于聚酯型。
与其他橡胶相比,聚氨酯橡胶的物理机械性能是很优越的,所以一般都用于一些性能需求高的制品,如耐磨制品,高强度耐油制品和高硬度、高模量制品等。象实心轮胎、胶辊、胶带、各种模制品、鞋底、后跟、耐油及缓冲作用密封垫圈、联轴节等都可用聚氨酯橡胶来制造。
 此外,利用聚氨酯橡胶中的异氰酸酯基与水作用放出二氧化碳的特点,可制得比水轻30多倍的泡沫橡胶,具有良好的机械性能,用于绝缘、隔热、隔音、防震,效果良好。
三、聚氨酯橡胶的结构
聚氨酯橡胶虽然种类很多,具有不同的化学结构,但可以被看作是柔性链段和刚性链段组成的嵌段聚合物。其中聚酯、聚醚或聚烯烃部分是柔性链段,而苯核、萘核、氨基甲酸酯基以及扩链后形成的脲基等是刚性链段。
其次,聚氨酯橡胶的交联结构与一般橡胶不同,它不仅含有由交联剂而构成的一级交联结构(化学交联),而且由于结构中存在着许多内聚能较大的基团(如氨基甲酸酯基、脲基等),它们可通过氢键、偶极的相互作用,在聚氨酯橡胶线型分子之间形成晶区的二级交联(物理交联)作用也是非常重要的,即一级交联和二级交联并存(完全线型的热塑性聚氨酯橡胶则只存在二级交联作用)。
四、聚氨酯橡胶的组成
聚氨酯是在催化剂存在下由二元醇,二异氰酸酯和链扩展剂的反应产物。因其分子中含有氨基甲酸酯( )这一基本结构单元,所以称之为聚氨基甲酸酯(简称聚氨酯)。不同的二元醇和不同的二异氰酸酯可以合成出不同的弹性体,而同一种二元醇和同一种二异氰酸酯,若改变其合成条件,也可以得到不同的弹性体。其结构式如下:
式中  R—聚醚或聚酯链段;  A—芳香烃或脂肪烃;n —正整数。
假若,二元醇过量,得到的聚合物端基为羟基,假若二异氰酸酯过量,得到的聚合物端基则为异氰基。这些材料的性能和用途都不尽一致。
低相对分子质量的二醇或二胺类化合物常用来作为聚氨酯橡胶的扩链剂,若用二醇作扩链剂,反应后生成的是聚氨基甲酸酯链段。若用二胺类化合物作为扩链剂,则反应后生成脲基。

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