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聚氨酯弹性腻子的研究

来源:中国船舶工业集团船舶工艺研究所 作者:李梅林 时间:2012-01-23 点击:
导读:介绍了聚氨酯弹性腻子的研制, 及主剂、固化剂、助剂的配比与性能。
1 前言
  聚氨酯弹性腻子是一种聚氨酯弹性材料, 它具有弹性好、附着力强、无溶剂污染、常温固化、施工方便的特点, 可广泛应用于船舶、桥梁、道路、地坪等膨胀伸缩缝, 其特有弹性对于振动和形变均起到一定的缓冲作用。

2 聚氨酯弹性腻子的研究
  聚氨酯弹性腻子是双组份反应型材料, 由主剂和固化剂组成, 主剂一般为异氰酸酯化合物; 固化剂由多元醇和填料组成。主剂和固化剂按一定的比例均匀混合后, 嵌于需要的地方, 数小时后, 经反应固化后得到一种富于弹性的腻子, 能经受接缝一定限度内的伸缩。

2. 1 主剂的研究
主剂采用多异氰酸酯预聚物, 就是将异氰酸酯与多元醇经化学反应, 生成一种末端为异氰酸酯(-NCO) 基的聚合物。
应用预聚体制备聚氨酯弹性腻子有如下几个优点:
(1) 将气味大的异氰酸酯化合物与多元醇反应, 使生成的预聚体气味较小。
(2) 预聚体在合成时已放出部分反应热, 所以在制备弹性腻子时, 温度不会自动升得太高, 以避免弹性腻子过度发泡, 影响质量。

2. 2 主剂的合成
(1) 聚醚的脱水。聚醚在久储之后, 易吸收空气中的水分。因此, 在合成主剂预聚体之前, 需将其进行脱水处理。脱水条件: 120℃减压脱水2~ 3h。
(2) 主剂合成操作。异氰酸酯选用物理性能较好的甲苯二异氰酸酯(TD I) , 将所需量的甲苯二异氰酸酯先置于干燥的三口瓶中, 搅拌下缓慢加入所需的聚醚多元醇, 控制温度要严格。反应中放出的热
量要及时移出, 恒温搅拌2~ 3h, 取样分析- NCO 含量。降温出料, 所得预聚体保存在密封干燥容器中。

2. 3 固化剂的选择
固化剂采用多元醇化合物。聚醚多元醇是有机多元醇化合物中用量最大、应用最广的一个种类, 以聚醚多元醇为基础合成的聚氨酯树脂比聚酯多元醇合成的聚氨酯制品有较好的柔软性、耐水解性、回弹性、耐低温性与耐酸、碱稳定性。聚酯树脂本身粘度较大, 与其他组份互混性差, 施工困难, 加上原料成本高, 所以自20世纪60年代出现聚醚树脂后, 聚酯树脂在聚氨酯合成中作活性氢化合物的应用日趋减少。近年来, 石油化工提供了大量的氧化烯烃类化合物(氧化乙烯、氧化丙烯、四氢呋喃等) , 成本低廉, 为大力发展聚醚化合物奠定了雄厚的物质基础。当前聚醚醇类化合物的产量已占聚氨酯所用的多元醇总量的90% 以上。一般, 通过改变多元醇化合物的官能度、分子量以及分子结构等可以分别制得不同性能、不同用途的聚氨酯制品。软质聚氨酯制品用多元醇化合物一般官能度小(2~ 3) , 羟值比较低(40~ 60mg KOHög) , 分子量大(2 000~ 3 000) , 硬质聚氨酯制品用多元醇化合物则要求官能度大(3~ 8) , 羟值比较高(400~ 500mg KOHög)。
经过大量的分析与实验, 聚氨酯弹性腻子选用低官能度、低羟值聚醚多元醇能获得较好的固化物。

2. 4 催化剂的选择
聚氨酯弹性体中常用的催化剂有:
(1) 胺类——如甲基二乙醇胺、二甲基乙醇胺、N 2甲基吗啉、二甲基环己胺等。
胺类催化剂对NCO - OH 和NCO - H2O 两个反应都有强烈的催化作用。NCO - OH 反应使得聚合物分子量增长得很快; NCO - H2O 反应产生了CO2气体, 聚合物体积迅速膨胀。胺类催化剂能使这两个反应很快发生, 聚合物粘度上升很快, 它的体积也随之增大, 固化物中含有大量气泡。固化物有气泡会产生如下缺陷: 表面气泡与内部气泡连通, 造成固化物龟裂; 与密封基材接触面产生大量的气泡; 固化表面或内部形成许多小气泡。这些缺陷影响固化物外观, 降低密封效果, 严重时, 导致局部密封失效。
(2) 有机锡催化剂——如二丁基二月桂酸锡、辛酸亚锡等。
有机锡化合物催化NCO - OH 之间的反应比催化NCO—H2O 之间的反应要强得多, 也就是固化反应发生时, 产生远远少于使用叔胺类催化剂所产生的气体。因此, 选用有机锡催化剂用于弹性腻子, 可减少固化物气泡产生, 提高腻子密封效果。

2. 5 触变剂
腻子在现场施工时, 经常遇到垂直面及仰面接缝, 因此, 在施工时, 要求腻子材料不能“垂直下流”,必须具有触变性。因此, 必须在配方中添加触变剂解决腻子在施工中的垂流问题。常用的触变剂有白碳黑、有机膨润土、氢化篦麻油衍生物等。

2. 6 配方确定
经过上述试验与论证, 确定了聚氨酯弹性腻子的主剂、固化剂、助剂等。为了确定配方, 还必须确定配方中各组份用量。以不同的配方进行试验, 在指定温度和时间范围内固化后, 进行指标比较, 达到预定指标的为初步合格配方, 见表1。

3 聚氨酯弹性腻子的制备与使用
3. 1 制备
(1) 主剂的合成: 用普通搪玻反应釜, 将异氰酸酯和聚醚按比例加入进行化学反应, 得到主剂。
( 2) 腻子浆的制备: 将固化剂、催化剂、填料等原料作干燥处理后, 加入捏合机捏合均匀, 再移入三辊机研磨两道, 最后出料, 即得腻子浆。

3. 2 使用方法
将预聚体和腻子浆按比例配制调匀, 在规定时间内涂刮于施工面, 固化后可得到弹性腻子条。施工前, 物件表面须作除污、除油、除锈、干燥等处理, 如在基层上涂一层聚氨酯或环氧树脂类的底涂料, 再嵌腻子, 可使被涂材料粘合力增加。

4 结果与讨论
4. 1 影响聚氨酯弹性腻子凝胶时间的因素
预聚体和腻子浆混合后的凝胶时间就是通常所谓的适用期, 施工人员必须在这段时间内将混好的腻子用完, 否则腻子凝胶, 无法使用。影响凝胶时间的因素很多, 主要有以下几种因素:
(1) 温度。由表2可见, 随着环境温度的升高, 凝胶时间大大缩短, 这是由于双组份聚氨酯反应是放热反应, 当周围温度升高时, 体系内释放的热量不易散发, 从而促进反应进一步进行, 在宏观上表现为凝胶时间缩短。

 (2) 催化剂用量。对于双组份聚氨酯弹性腻子,可在腻子浆中加入催化剂, 促进反应。催化剂用量越大, 反应速度越快, 凝胶时间越短, 见表3。

 (3) 聚醚官能度的影响。调节腻子配方中二、三官能度聚醚的比例, 可以得到不同反应速度。提高高官能度的聚醚用量比例, 可以使反应速度加快, 凝胶时间缩短。

4. 2 影响腻子弹性的因素
使用三官能度的聚醚与用二官能度的聚醚相比, 制成的腻子其弹性降低, 因此, 为使腻子弹性好,要适当增加二官能度聚醚的用量。

4. 3 腻子的触变性
(1) 碳酸钙。填料碳酸钙经过表面处理, 可以得到不同性质的活性碳酸钙。经过钛酸酯处理的碳酸钙, 补强作用明显, 能明显降低腻子粘度, 没有触变性; 经硬脂酸处理的碳酸钙, 既有较好的补强作用,又能增加腻子的粘度, 作为腻子的填料很合适。
(2) 白碳黑。气相白碳黑补强作用大, 触变性能明显; 沉淀白碳黑补强作用比气相白碳黑小, 吸油量很大。因此, 选用各方面性能较好的气相白碳黑作为触变助剂。
(3) 触变助剂。有一类触变助剂, 当与白碳黑配合使用就能大大提高后者的触变效果, 而且用量很少, 这类化合化有亚砜类、酰胺类、脲衍生物、聚乙烯醇甲醚等。

5 技术指标
5. 1 腻子浆技术指标
腻子浆技术指标见表4。

5. 2 固化后腻子膜技术指标
固化后腻子膜技术指标见表5。

6 结论
  (1) 开发的聚氨酯弹性腻子是地坪、水泥、桥梁、钢结构缝隙嵌填的新材料。
(2) 具有很好的弹性和较好的附着力, 防裂、抗震、抗老化性能好; 不会流挂, 表面平整, 无须打磨;能常温固化, 无溶剂污染, 不影响施工人员的健康和安全, 是一种很有发展潜力的环保型材料。
(3) 聚氨酯弹性腻子性能好, 生产成本低, 其应用前景广阔。
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