新型丁基聚氨酯彈性體的合成及其力學性能研究

王興剛 何小榮

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州730060）

減振阻尼材料是一種能吸收振動機械能并將之轉化為熱能而耗散的新型功能材料，它利用阻尼材料在變形時把動能變成為熱能的原理降低結構的共振振幅，增加疲勞壽命和降低結構噪聲，使其在艦船和潛艇艉軸等系統具有重要的應用[1,2]。阻尼材料的本質是通過材料的內摩擦使外部施加于材料上的機械能轉化為熱能而耗散，阻尼大小與其內摩擦性能息息相關，其評價標準是阻尼系數，即損耗因子。

聚合物阻尼材料的內耗大小與其自身結構有關，當分子鏈帶有取代基時，鏈段的弛豫阻力增大，內摩擦增加；當分子鏈上側基體積較大、數量較多、極性較強以及分子間氫鍵較多、相互間作用較強時，其耗散能量的能力就會相對較強[3,4]。

端羥基聚異丁烯二元醇（HTPIB）具有丁基橡膠致密的側甲基結構，使其氣體透過率極低，具有優異的氣密性。同時，端羥基聚異丁烯聚合物鏈具有高飽和性，能夠抵抗強氧化性和腐蝕性。因此，端羥基聚異丁烯作為可取代的二元醇，制備富有彈性的、高飽和性聚氨酯材料[5]。

本文利用陽離子聚合方法合成的端羥基聚異丁烯二元醇，使之具有丁基橡膠致密的側甲基結構[6]，之后通過傳統聚氨酯合成工藝合成具有優異阻尼，即內摩擦性能的丁基基聚氨酯彈性體材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料與試劑

對苯二甲酸二甲酯（DMT，分析純）國藥集團工業股份有限公司（國藥集團）；端羥基異丁烯（HTPIB），自制；甲醇、乙醇和己二醇（分析純），南京化學試劑有限公司；四氫呋喃（THF，分析純），天津科密歐化學試劑有限公司，使用前純化；4，4'- 二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI，分析純），阿拉丁試劑有限公司。

1.2 性能測試及表征

傅立葉紅外光譜（FTIR）表征：FTIR 表征采用IFS 66v/s 型傅立葉轉換紅外光譜儀（Bruker 公司，德國）對聚異丁烯二元醇和PIB 基聚氨酯（PIB-based PU）進行表征，波數范圍400-4000 cm-1，分辨率為5 cm-1；通過DMA 測試PIB-based PU 材料的內摩擦性能，即阻尼性能；力學性能測試在Shimadzu AG-X 萬能試驗機上進行的，拉伸速度為50 mm/min。

1.3 丁基聚氨酯的合成

首先，制備端異氰酸酯基的PU 預聚體，按異氰酸指數（R，原料中-NCO 與-OH 的摩爾比）為1.5，稱取聚異丁烯基二元醇與MDI，并置于三口燒瓶中，以固含量為12wt.%的加四氫呋喃作為溶劑，機械攪拌，在氮氣保護下，80℃油浴中恒溫反應，直到二者反應完全為止。最后，將化學計量的己二醇作為擴鏈劑加入預聚體中，機械攪拌均勻，直至反應溶液變粘，而后倒入預熱好的聚四氟乙烯模具中，在60℃下固化24h，制備出測試所需要的相應樣品。

2 結果與討論

2.1 丁基聚氨酯紅外分析

為了確定所合成的端羥基聚異丁烯能夠利用常規聚氨酯合成工藝，合成出新型丁基聚氨酯材料。分別對端羥基聚異丁烯、聚氨酯預聚體和丁基聚氨酯進行傅立葉紅外光譜表征。

圖1 FTIR 譜圖：(a) 端羥基聚異丁烯（HTPIB）; (b) 聚氨酯預聚體（pre-PU）; (c) 丁基聚氨酯（PIB-based PU）

如圖1 所示，三條紅外光譜曲線在2800-2900 cm-1之間都有一個寬的吸收峰，這是亞甲基的C-H 和C-C 的伸縮振動吸收峰。圖1（b）是丁基聚氨酯預聚體的傅里葉紅外光譜圖，在曲線上有兩個明顯的吸收峰分別出現在2273 cm-1和3338 cm-1，分別對應的是異氰酸根和氨基的特征吸收峰。說明通過聚異丁烯二元醇與MDI 的反應能夠成功得到聚氨酯預聚體。如圖1（c）所示，當加入擴鏈劑合成出丁基聚氨酯材料之后，異氰酸根的特征吸收峰消失了，說明成功合成了新型丁基聚氨酯材料。

2.2 丁基聚氨酯力學性能

圖2（a）和圖2（b）分別給出了丁基聚氨酯的拉伸強度和斷裂伸長率隨聚異丁烯含量的變化。

圖2 丁基聚氨酯力學性能隨聚異丁烯含量的變化

從中可以發現，丁基聚氨酯材料的拉伸強度隨聚異丁烯（PIB）含量的增加而降低，這是由于聚異丁烯是一種高度的飽和分子鏈結構，且其分子組成只有C、H 兩種元素，與傳統聚酯或聚醚型二元醇合成的聚氨酯材料相比不能形成氫鍵等分子間作用力，所以軟段含量，即PIB 含量的增加，使得丁基聚氨酯的拉伸強度下降。如圖2（b）所示，聚異丁烯含量在60wt.%時，丁基聚氨酯具有最高的拉伸斷裂伸長率。因為更高的MDI 含量，意味著硬段含量的增加，這會導致材料變硬而發脆。綜上所述，丁基聚氨酯在PIB 為60wt.%時，具有最好的綜合力學性能。

2.3 丁基聚氨酯內摩擦性能

眾所周知的是丁基橡膠具有優異的阻尼性能是因為丁基橡膠97%以上的組份都是聚異丁烯，而聚異丁烯具有致密的側甲基，在受到動態力作用時，其巨大的內摩擦，使之表現出優異的阻尼性能。本文所合成的丁基聚氨酯彈性體是通過聚異丁烯二元醇作為反應基本單元合成而得，因此理論上也應具有優異的內摩擦，即阻尼性能。

圖3 不同聚異丁烯含量下丁基聚氨酯的Tanδ 變化曲線

如圖3 所示，對不同聚異丁烯含量的丁基聚氨酯材料進行動態熱機械分析，所有的丁基聚氨酯材料在很寬的溫度范圍內都表現出了優異的阻尼性能，通常認為損耗因子Tanδ>0.3 時，材料具有良好的阻尼性能。而隨著HTPIB 含量的增加，相應的損耗因子的最大值也相應的提高。

可見，所合成的丁基聚氨酯，因其致密的側甲基結構使其內摩擦很大，損耗能量高，而表現出優異的阻尼性能。

3 結論

3.1 利用活性陽離子聚合方法合成了端羥基聚異丁烯二元醇，之后通過常規聚氨酯聚合工藝合成了丁基聚氨酯彈性體材料。

3.2 丁基聚氨酯材料的拉伸強度隨聚異丁烯含量的增加而降低，并且在聚異丁烯含量為60wt.%時，具有最佳的綜合力學性能。

3.3 本方法所合成的丁基聚氨酯材料，因其致密的側甲基結構使其內摩擦大，損耗能量高，表現出優異的阻尼性能，隨著PIB 含量的增加，相應的損耗因子的最大值也相應的提高。