單組分濕固化聚氨酯密封膠力學性能的研究

賈衛民， 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。密封膠種類有有機硅類(包括改性有機硅)、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和密封兩種功能集于一身的產品。其中，性能較好的三類高檔彈性密封膠分別是有機硅密封膠、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基團聚氨酯預聚體與填料、增塑劑、添加劑配合而成[1]。

建設產業需求量的增大促進了聚氨酯密封膠快速發展，而且，隨著汽車、航空和造船行業的發展，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品的市場前景十分廣闊。目前，單組分濕固化聚氨酯的相關研究成果較多[2-9]，但其中對于其力學性能的影響因素及機理研究較少[10]。本文主要探討了預聚體—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性能的影響及機理。

1 實驗部分

1.1 主要原料

1.2 主要儀器

動力混合機，DHL-10L，東莞市泰睿機械設備有限公司；電子萬能試驗機，DR-6000A，揚州德瑞儀器設備有限公司；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 預聚體的制備

將一定質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2 h，取樣分析—NCO基的質量分數，達到設計—NCO基值時，即為預聚體，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后倒入動力混合機中，分散均勻后降至50 ℃，加入聚氨酯預聚體，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 力學性能測試

拉伸強度、拉斷伸長率和300%定伸應力按GB/T528-2009標準測定；邵爾硬度按GB/T 531.1-2008標準測定；撕裂強度按GB/T 529-2008標準測定。

2 結果與討論

2.1 預聚體—NCO含量對力學性能的影響

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

表1 預聚體—NCO含量對力學性能的影響

由表1可以看出，隨著預聚體—NCO含量增加，密封膠的硬度、拉伸強度、300%定伸應力和撕裂強度增大，拉斷伸長率降低。這是由于，隨預聚體—NCO基含量的提高，硬段含量增加，氨基甲酸酯質量分數增加，氫鍵作用增強，使硬度、拉伸強度、300%定伸應力和撕裂強度增大；同時，密封膠固化時交聯密度增大，交聯點之間的相對分子質量減小，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，制備的密封膠力學性能見表2。

表2 填料對力學性能的影響

加入填料能夠顯著降低密封膠產品的成本，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，與重質碳酸鈣、輕質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聚體濕潤，與膠料有很好的親和性，更好地分散于預聚體中，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，制備的密封膠力學性能見表3。

表3 填料用量對力學性能的影響

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，制備的密封膠力學性能見表4。

表4 觸變劑用量對力學性能的影響

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，制備的密封膠力學性能見表5。

表5 炭黑用量對力學性能的影響

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，有效防止因氣體產生的膠層起泡現象。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 結論

1) 隨著預聚體—NCO含量增加，密封膠的硬度、拉伸強度、300%定伸應力和撕裂強度增大，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。

參考文獻：

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