CN111690253A - 一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法 - Google Patents

一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法，该发泡材料组分按重量份计包括：聚氨酯弹性体100～150份；三元乙丙橡胶10～40份；增容剂2～6份；发泡剂3～30份；抗氧化剂2～6份；匀泡剂1～5份；其中，所述TPU为聚酯型TPU。其制备方法为先将聚氨酯弹性体和三元乙丙橡胶混合再加入增容剂造粒，然后加入发泡剂、匀泡剂和抗氧化剂进行熔融发泡。本发明制得的三元乙丙橡胶改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料性能优异，与纯TPU相比，其断裂伸长率增加10%，冲击回弹性提高40%左右，具有更高的强度、耐磨性弹性及耐低温性能，流变性能和成型加工性得到大大改善，并且本发明发泡材料制备成本较低，具有极高的应用价值。

Description

一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法。
背景技术
热塑性聚氨酯弹性体(TPU)是一类以低聚物多元醇、多异氰酸酯和扩链剂为主要原料制备的高聚物材料，自上世纪40年代被发明以来，其在工业、农业等领域得到非常广泛的应用，被列为世界五大材料之一。聚氨酯的分子链一般由两部分组成，即由“软段”和“硬段”构成，由于硬段和软段部分不相容，形成彼此分离又彼此联系的微相分离结构，这种独特的性能导致其与其他热塑性弹性体相比，TPU的熔融加工性能较差，在加工方面存在着明显的缺点，被认为是很难加工的弹性体，具体表现有一下几点：(1)TPU的流动性差，且受温度、压力的影响较大；(2)TPU树脂剪切热较高，塑化时剪切力大；(3)TPU熔体的强度及延伸性能低；(4)熔融的TPU树脂对加工成型设备的金属表面粘附力很强，使得很难加工成型。
为了得到既耐高温又易于加工成型，既有卓越韧性又有较高硬度，廉价易得性能良好的TPU材料，除了继续研制合成新型聚合物以外，对已知的聚合物共混改性已成为发展高性能聚合物材料的一种卓有成效的途径。与开发新型高分子聚合物相比，对已知聚合物进行改性具有周期短、费用低、易于工业化生产的特点。聚合物共混改性的主要目的和效果有以下几点：(1)综合均衡各聚合物组分的性能，取长补短，消除各单一聚合物组分性能上的弱点；(2)使用少量的某一聚合物可以作为另一聚合物的改性剂，改性效果显著；(3)聚合物加工性能可以通过共混得以改善；(4)聚合物加工性能可以满足一些特殊的需要；(5)对某些性能卓越、单价格昂贵的工程塑料，可以通过共混，在不影响使用要求条件下降低原材料成本。
三元乙丙橡胶(EPDM)是一种弹性性能非常优良的橡胶，由乙烯、丙烯及第三弹体共聚而成，即使在很低的温度下依然能够保持很高的柔顺性，是一种与天然橡胶(聚异戊二烯)相似的近于理想的弹性体。使用EPDM与TPU共混，可以在一定程度上改善了TPU的流变特性及其成型加工性能。然而EPDM是一种非极性共聚物，其与热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)等共混时，由于在分子结构、溶解度参数、极性等方面存在差异，相容性差，难以得到性能优良的改性材料。需要加入相容剂，改善两者的相容性，所制备的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体的拉伸强度、断裂伸长率及加工性能均得到极大改善，具有极其重要的科学意义和应用价值。
发明内容
针对上述存在的问题及为了实现上述目的，本发明提出一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料及其制备方法，首先将三元乙丙橡胶与聚氨酯弹性体共混改性，通过添加相容剂，解决现有聚氨酯弹性体强度、弹性及耐低温性能有待提高的技术问题。具体技术方案如下：
一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其组分按重量份计包括：
聚氨酯弹性体100～150份；
三元乙丙橡胶10～40份；
增容剂2～6份；
发泡剂3～30份；
抗氧化剂2～6份；
匀泡剂1～5份；
其中，所述TPU为聚酯型TPU。
优选的，所述增容剂为复合增容剂，由嵌段共聚物增容剂聚烯烃弹性体、烯烃嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物中的一种或几种与反应型增容剂马来酸酐型增容剂、丙烯酸型增容剂、异氰酸酯型增容剂、有机硅增容剂和钛酸酯增容剂中的一种或几种复配共混组成，两类增容剂的比例为1:1～3。
优选的，所述发泡剂为偶氮二甲酰胺、小苏打、碳酸钙、可膨胀微球中的一种或几种组成。
优选的，所述发所述抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂164、抗氧剂DNP中的一种或几种组成。
优选的，所述匀泡剂为聚硅烷一氧化烯烃嵌段共聚物硅油。
前述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其制备方法包括的步骤如下：
1)制备EPDM/TPU混合料：按上述重量份称取TPU和EPDM加入高速混合机中搅拌混合，获得EPDM/TPU混合料；
2)制备EPDM/TPU粒料：将步骤1)中获得的EPDM/TPU混合料，加入增容剂，置于同向双螺杆挤出机中熔融后挤出造粒，获得EPDM/TPU粒料；
3)制备EPDM/TPU发泡材料：将步骤2)中获得的EPDM/TPU粒料与上述重量份的发泡剂、抗氧化剂及匀泡剂置于注射成型机的加热料筒中熔融，然后注入到模具内，得到发泡制品，即为EPDM改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料。
作为优选的技术方案的，步骤1)中，所述制备EPDM/TPU混合料搅拌速度控制为75～120rpm，温度控制为35～60℃，搅拌时间为6～12mim。
作为优选的技术方案的，步骤2)中，所用螺杆直径D＝35mm，长径比＝28:1，所述熔融接枝反应从加料口到机头，机筒温度Ⅰ区至Ⅷ区分别控制为170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、210℃、200℃、190℃；反应型双螺杆挤出机的转速控制为110～130rpm。
作为优选的技术方案的，步骤3)中，所述制备三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的机筒温度控制为190～200℃，保压时间为10～30s。
本发明的有益效果是：
本发明制备方法步骤简单、工艺过程易于控制；将三元乙丙橡胶与聚氨酯弹性体共混改性，选择由嵌段共聚物增容剂聚烯烃弹性体、烯烃嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物中的一种或几种与反应型增容剂、马来酸酐型增容剂、丙烯酸型增容剂、异氰酸酯型增容剂、有机硅增容剂和钛酸酯增容剂中的一种或几种复配共混组成的合相容剂，引入强极性反应性基团，改善非极性体系与极性体系的相容性，使材料具有高的活性和反应性，提高产品的拉伸强度、冲击强度和断裂伸长率，改善加工流变性能。
在制备发泡料时，先制备改性EPDM/TPU混合料，提高EPDM与TPU的相容性，再通过注射发泡一次性注射成型得到高性能TPU发泡材料。经本发明制得的三元乙丙橡胶改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料性能优异，与纯TPU相比，本发明所制备的改性TPU断裂伸长率增加10％，冲击回弹性提高40％左右，具有更高的强度、耐磨性弹性及耐低温性能，流变性能和成型加工性得到大大改善，并且本发明发泡材料制备成本较低，具有极高的应用价值。
附图说明
图1为本发明三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的制备流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。其中实施例1～3为制备TPU接枝-OBC改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料，实施例4为效果例。
实施例1
本实施例是制备一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其制备过程如图1所示，按重量份称取如下组分：聚氨酯弹性体(TPU)100份，三元乙丙橡胶(EPDM)10份，聚烯烃弹性体(POE)增容剂与马来酸酐型增容剂按1:1混合得到的复合增容剂2份，小苏打发泡剂5份，抗氧剂1010 2份，聚硅烷一氧化烯烃嵌段共聚物硅油匀泡剂1份。先将TPU和EPDM加入高速混合机中搅拌混合，获得EPDM/TPU混合料，搅拌速度控制为75rpm，温度控制为35℃，搅拌时间为6mim；然后加入增容剂，再将其置于同向双螺杆挤出机中熔融后挤出造粒，所用螺杆直径D＝35mm，长径比＝28:1，所述熔融接枝反应机筒温度Ⅰ区至Ⅷ区(从加料口到机头)分别控制为170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、210℃、200℃、190℃，反应型双螺杆挤出机的转速控制为110rpm，获得EPDM/TPU粒料；最后将粒料、发泡剂、抗氧化剂及匀泡剂置于注射成型机的加热料筒中熔融，然后注入到模具内，得到发泡制品，机筒温度控制为190℃，保压时间为10s，即得到EPDM改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料。
实施例2
本实施例也是制备一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，按重量份称取如下组分：聚氨酯弹性体(TPU)120份，三元乙丙橡胶(EPDM)15份，烯烃嵌段共聚物(OBC)增容剂3份与马来酸酐型增容剂按1:1混合得到的复合增容剂2份，膨胀微球发泡剂4份，抗氧剂1076 3份，聚硅烷一氧化烯烃嵌段共聚物硅油匀泡剂2份。先将TPU和EPDM加入高速混合机中，45℃条件下，以800rpm的转速搅拌混合8mim，获得EPDM/TPU混合料；然后加入增容剂，置于同向双螺杆挤出机中熔融后挤出造粒，所用螺杆直径D＝35mm，长径比＝28:1，所述熔融接枝反应机筒温度Ⅰ区至Ⅷ区(从加料口到机头)分别控制为170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、210℃、200℃、190℃；反应型双螺杆挤出机的转速控制为120rpm，获得EPDM/TPU粒料；最后将粒料、发泡剂、抗氧化剂及匀泡剂置于注射成型机的加热料筒中熔融，然后注入到模具内，得到发泡制品，机筒温度控制为195℃，保压时间为15s，即获得EPDM改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料。
实施例3
本实施例同样是制备一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，组分按重量份计如下：聚氨酯弹性体(TPU)130份，三元乙丙橡胶(EPDM)18份，聚烯烃弹性体(POE)增容剂与丙烯酸型增容剂按1:2的比例所得复合增容剂3份，小苏打发泡剂6份，抗氧剂1010 2份，聚硅烷一氧化烯烃嵌段共聚物硅油匀泡剂2份。先将TPU和EPDM加入高速混合机中搅拌混合，制备EPDM/TPU混合料；搅拌速度控制为100rpm，温度控制为35℃，搅拌时间为7mim。然后加入增容剂，再置于同向双螺杆挤出机中熔融后挤出造粒，所用螺杆直径D＝35mm，长径比＝28:1，所述熔融接枝反应机筒温度Ⅰ区至Ⅷ区(从加料口到机头)分别控制为170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、210℃、200℃、190℃；反应型双螺杆挤出机的转速控制为130rpm，获得EPDM/TPU粒料。最后再将该EPDM/TPU粒料与发泡剂、抗氧化剂及匀泡剂置于注射成型机的加热料筒中熔融，然后注入到模具内，得到发泡制品，机筒温度控制为190℃，保压时间为15s，得到EPDM改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料。
实施例4效果例
本实施例将实施例1～3制备的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料使用注塑机内制成测试样条S1、S2、S3，然后冲压出条进行力学试验。同时以市场购得的同类聚氨酯弹性体以同样的制备条件制成测试样条D作为对比。其测试结果如表1所示。
表1.各测试样条力学试验测试结果
项目 样条D 样条S1 样条S2 样条S3
拉伸应力100％(MPa) 8.9 17.2 15.7 16.9
拉伸应力300％(MPa) 17.6 30.7 28.6 31.2
屈服力(MPa) 44 58 60 61
断裂伸长率(％) 450 540 550 520
撕裂(graves)(kN/m) 102 111 115 114
冲击回弹性(％) 45 72 69 72
密度(g/mm3) 1.14 1.04 1.03 1.02
由上表可见，本发明方法制备的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，通过添加增容剂，提高三元乙丙橡胶与聚氨酯弹性体的相容性，相对于市场上普通的聚氨酯弹性体，虽然密度降低，但是其拉伸应力得到大大提高，撕裂强度提高8％左右，冲击回弹性提高40％左右。本产品性能优异，具有更高的抗冲击性和强度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非只包含一个的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料其特征在于，其组分按重量份计包括：
聚氨酯弹性体100～150份；
三元乙丙橡胶10～40份；
增容剂2～6份；
发泡剂3～30份；
抗氧化剂2～6份；
匀泡剂1～5份；
其中，所述TPU为聚酯型TPU。
2.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其特征在于：所述增容剂为复合增容剂，其由嵌段共聚物增容剂聚烯烃弹性体、烯烃嵌段共聚物、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物中的一种或几种与反应型增容剂、马来酸酐型增容剂、丙烯酸型增容剂、异氰酸酯型增容剂、有机硅增容剂和钛酸酯增容剂中的一种或几种复配共混组成。
3.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其特征在于：所述复合增容剂复配共混的比例为1:1～3。
4.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其特征在于：所述发泡剂为偶氮二甲酰胺、小苏打、碳酸钙、可膨胀微球中的一种或几种组成。
5.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其特征在于：所述发所述抗氧化剂为抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂164、抗氧剂DNP中的一种或几种组成。
6.根据权利要求1所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料，其特征在于：所述匀泡剂为聚硅烷一氧化烯烃嵌段共聚物硅油。
7.一种三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的制备方法，其特征在于，包括的步骤如下：
1）制备EPDM/TPU混合料：按上述重量份称取TPU和EPDM加入高速混合机中搅拌混合，获得EPDM/TPU混合料；
2）制备EPDM/TPU粒料：将步骤1）中获得的EPDM/TPU混合料，加入复合增容剂，置于同向双螺杆挤出机中熔融后挤出造粒，获得EPDM/TPU粒料；
3）制备EPDM/TPU发泡材料：将步骤2）中获得的EPDM/TPU粒料与上述重量份的发泡剂、抗氧化剂及匀泡剂置于注射成型机的加热料筒中熔融，然后注入到模具内，得到发泡制品，即为EPDM改性热塑性聚氨酯弹性体发泡材料。
8.根据权利要求4所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的制备方法，其特征在于：步骤1）中，所述制备EPDM/TPU混合料搅拌速度控制为75～120rpm，温度控制为35～60℃，搅拌时间为6～12mim。
9.根据权利要求4所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的制备方法，其特征在于：步骤2）中，所用螺杆直径D=35mm，长径比=28:1，所述熔融接枝反应从加料口到机头，机筒温度Ⅰ区至Ⅷ区分别控制为170℃、180℃、180℃、190℃、190℃、210℃、200℃、190℃；反应型双螺杆挤出机的转速控制为110～130rpm。
10.根据权利要求4所述的三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的制备方法，其特征在于：步骤3）中，所述制备三元乙丙橡胶改性聚氨酯弹性体发泡材料的机筒温度控制为190～200℃，保压时间为10～30s。
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