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期刊专利论文

高抗剪强度双组份聚氨酯组角胶的性能研究

来源:互联网2022年03月10日

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高抗剪强度双组份聚氨酯组角胶的性能研究

王小伟 陈权 潘守伟 程梦平 石正金

来源:中国建筑金属结构  2021年 第8期

摘要

本文研究以聚碳酸亚丙酯多元醇、聚醚多元醇、聚合MDI、纳米碳酸钙和铋锌复合催化剂等为主要原料,制备了一种高强度系统门窗用双组份聚氨酯组角胶,考察了R值、不同种类二元醇合成的预聚体、不同种类催化剂对双组份组角胶性能的影响,结果表明R值为1.06、预聚体由聚碳酸亚丙酯二醇合成、催化剂选用铋锌复合催化剂制备组角胶时,双组份聚氨酯组角胶的性能最优异。

关键词

双组份聚氨酯;组角胶
聚碳酸亚丙酯二醇(PPC);剪切强度

引言

目前市面大部分双组份聚氨酯组角胶采用普通的聚醚醇进行扩链,存在剪切强度相对较低、粘接性差、耐候性不足等缺点,会导致最终的组角胶产品不满足高强度、高粘接性、耐久性的要求,不适用于系统门窗的角部固定。针对上述不足,本文采用聚碳酸亚丙酯多元醇制备了性能优异聚氨酯预聚体,并调整配方组成双组份聚氨酯结构胶。聚碳酸亚丙酯含有碳酸酯键刚性结构和柔性聚醚链段结构,因而兼具聚酯的强度和聚醚的柔韧性,满足组角胶高强度、高硬度和柔韧性好的要求。并研究了R值和不同种类二元醇制备的预聚体对组角胶剪切强度和弯曲变形的影响,以及不同种类催化剂对组角胶剪切强度的影响。

1 实验

1.1试验材料
    多亚甲基多苯基多异氰酸酯,工业级,亨斯迈国际有限公司生产;二苯基甲烷二异氰酸酯,工业级,山东万华化学集团股份有限公司生产;聚碳酸亚丙酯二醇(PPC,Mn=2000),工业级,江苏中科金龙化工有限公司生产;聚醚三醇(Mn=400),工业级,山东万华化学集团股份有限公司生产;聚醚二醇(PPG,Mn=2000),工业级,山东万华化学集团股份有限公司生产;聚己二酸新戊二醇酯二醇(PNA,Mn=2000),工业级,武汉华翔科洁生物技术有限公司生产;聚四氢呋喃二醇(PTMEG,Mn=2000),工业级,山西三维集团股份有限公司生产;纳米碳酸钙,工业级,广西华纳新材料有限公司生产;疏水气相白炭黑,工业级,德国Wacker公司生产;分子筛活化粉,工业级,洛阳建龙微纳新材料股份有限公司生产;乙烯基三甲氧基硅烷,工业级,湖北新蓝天新材料股份有限公司生产;氨基硅烷,工业级,湖北新蓝天新材料股份有限公司生产;铋锌复合催化剂,工业级,广州优润合成材料有限公司生产。

1.2试验仪器
    行星式捏合机,佛山市金银河智能装备股份有限公司生产;真空脱泡搅拌机,广州标格达实验室仪器用品有限公司生产;微机控制电子万能试验机,美特斯工业系统(中国)有限公司生产。
1.3试验制备
1.3.1聚氨酯预聚体的制备

    将脱水后的聚碳酸亚丙酯二醇(PPC)、聚醚二醇(PPG)、聚己二酸新戊二醇酯二醇(PNA)或聚四氢呋喃二醇(PTMEG)分别加入干燥的行星釜中,边搅拌边升温至60℃,再缓慢加入计量MDI,真空下逐步升温至80℃,恒温反应3h,取样滴定-NCO剩余含量。当-NCO含量为16%后,停止加料,得到不同二醇种类的聚氨酯预聚体。
1.3.2A组分的制备
    将合成的聚氨酯预聚体、聚合MDI、纳米碳酸钙、分子筛活化粉、疏水气相白炭黑加入到行星釜中,真空状态下搅拌分散1h,得到A组分。
1.3.3B组分的制备
    将聚醚三元醇、聚碳酸亚丙酯二醇加入到行星釜中,120℃真空脱水2h,然后降温至60℃,再加入纳米碳酸钙、乙烯基三甲氧基硅烷、氨基硅烷、疏水气相白炭黑、分子筛活化粉、催化剂,在真空状态下搅拌2h,得到B组分。

1.4测定或表征
    (1)剪切强度:试件按《建筑门窗用组角结构密封胶》(JC/T 2560-2020)第7章的规定进行制备,在标准试验条件下养护不同时间。养护后的试件按《胶粘剂 拉伸剪切强度的测定(刚性材料对刚性材料)》(GB/T 7124-2008)第7章进行试验。设定预荷载5N,试验速度为(2.0±0.5)mm/min,记录破坏荷载(N)。剪切强度(MPa)由破坏荷载(N)除以剪切面积(mm2)进行计算。以5个试件的算术平均值作为试验结果。
    (2)适用期:在标准试验条件下挤出约50g试样后立即开始计时,不断用刮刀按压 并观察试样,当试样出现黏度明显上升、凝胶化、沉淀、分离等有碍于密封胶使用的现象时,以该时刻作为产品适用期的结果。测试2次平行试验,以2次结果的平均值作为试验结果,精确至1min。
    (3)弯曲变形:按《树脂浇铸体性能试验方法》(GB/T 2567-2008)中5.3规定进行试验。以2mm/min的试验速度均匀连续加载,直至破坏。在中间的三分之一跨距以外破坏的试件,应予作废。记录每个有效试件破坏时试验机的位移,取5个有效试件位移的平均值作为试验结果,精确到0.1mm。

2   结果与讨论

2.1 R值对组角胶物理性能的影响
    B组分不变,通过控制A组分中预聚体的添加量来控制不同的R值,探究了不同R值对组角胶剪切强度和弯曲变形的影响,结果如表1所示。由表1可知,随着R值的增大,组角胶的剪切强度增大,在R值为1.08时达到最大值11.0 MPa,但弯曲变形下降明显,不符合标准要求(≥4.0 mm)。这可归因于R值增大,分子链中的氨基甲酸酯键和脲键等刚性基团增加,交联密度增大,物理交联点增加,剪切强度提高;与此同时,分子间作用力增强,交联点阻碍了柔性分子链段的运动,分子链段运动受阻不能共同承担外力,组角胶在外力的作用下不容易发生形变,弯曲变形降低。行业标准《建筑门窗用组角结构密封胶》(JC/T 2560-2020)规定组角胶固化后应具有一定的微弹性,因此应兼顾剪切强度跟柔韧性,选择R值为1.06最佳。 


2.2不同种类二元醇制备的聚氨酯预聚体对组角胶物理性能的影响
    工业上基本用聚醚多元醇和聚酯多元醇合成预聚体,本文使用PPC、PNA、PPG和PTMEG四种二元醇制备不同主链的聚氨酯预聚体,研究不同种类的二元醇制备的预聚体对组角胶的剪切强度和弯曲变形的影响,结果如表2所示。


    由表2可知,使用聚碳酸酯型和聚酯型合成的预聚体制备的组角胶的剪切强度高于聚醚型和PTEMG型预聚体。这是因为PPC有碳酸酯键,PNA有酯键,极性大内聚力强,具有较高的剪切强度。PPG和PTMEG具有柔性的醚键,分子链极性小,弯曲变形高。因此,优选PPC制备预聚体3。

2.3不同催化剂种类对组角胶性能的影响
    催化剂是调节组角胶固化速率的重要助剂,本文分别用有机锡、有机锌和铋锌复合催化剂制备了组角胶,考察了三种类型催化剂对组角胶剪切强度的影响,结果如表3所示。


    由表3可知,单独使用有机锌催化剂的催化效率较低,建立强度慢,不符合实际使用的要求。铋锌复合催化剂的催化反应速率更快且强度更高。这是因为铋锌复合催化中有机铋提供对-NCO/-OH基团的高选择性和前期催化速率,减少了副反应;有机锌促进后期分子链交联,协同作用,使得强度更高。而有机锡是同时促进-NCO/-OH、-NCO与水的反应,使得强度比铋锌复合催化剂差。

 
3 结 论

    (1)R值会影响组角胶的力学性能,随着R值增大,组角胶的剪切强度增大,弯曲变形下降。当R值为1.06时,制备的双组份组角胶综合性能最优异。
    (2)聚碳酸亚丙酯多元醇合成的预聚体制备的组角胶比聚醚型、聚酯型和聚四氢呋喃型多元醇制备的组角胶强度高,且能保持一定的柔韧性。
    (3)铋锌复合催化剂可协同作用,减少副反应的发生,使得制备的组角胶具有更好的固化速率和剪切强度,并且更加环保。

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