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一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用，属于密封材料技术领域。本发明中PCDL通过与甲苯二异氰酸酯以及扩链剂三羟甲基丙烷进行反应，合成聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。与传统的多元醇所合成的聚氨酯材料相比，使聚碳酸酯型聚氨酯具有更优良的力学性能、耐水解性、耐热性、耐氧化性、耐摩擦性及耐化学品性。且本发明采用三元醇类TMP作为交联剂，制备聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料，在具备高强度的同时，也会进一步提高其硬度和耐磨性，从而能够作为密封材料应用。

Description

一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及密封材料技术领域，尤其涉及一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用。
背景技术
掘进机是当前最先进的隧道施工装备之一，代表了一个国家重大工程装备的技术水平。掘进机密封材料存在可靠性差、寿命短等问题。因此，对于掘进机所使用的密封材料研究具有重要意义。
聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的简称，是以聚醚多元醇或聚酯多元醇、多异氰酸酯与小分子多元醇或多元胺作为扩链剂/交联剂为原料，利用加聚反应制备而成的。聚氨酯具有很多优异的性能，可用于制造塑料、橡胶、纤维、泡沫、胶粘剂、涂料及密封材料等。通过选用不同种类的多元醇、多异氰酸酯以及扩链剂，可以对其力学性能、转变温度、耐磨性、硬度等进行调控。由于聚氨酯具有较高的弹性，因此作为密封材料应用较为广泛。
对于掘进机来说，传统的聚氨酯作为密封材料，会由于强度低、不耐磨缺陷引发密封失效。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用。本发明制得的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料，在具备高强度的同时，耐磨性能优异。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚碳酸酯二元醇与甲苯二异氰酸酯混合进行聚合反应，得到预聚体；
将所述预聚体与三羟甲基丙烷混合进行交联反应，得到所述聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
优选地，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为100～130:40～60:10～30。
优选地，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为115.4:60.3:25。
优选地，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为116:50.5:20。
优选地，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为135:47:16.5。
优选地，所述聚碳酸酯二元醇的数均分子量为2000。
优选地，所述聚合反应的温度为60～80℃，时间为1.5～3h。
优选地，所述交联反应的温度为80～120℃，时间为20～40h。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料作为掘进机用密封材料的应用。
本发明提供了一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料的制备方法，包括以下步骤：将聚碳酸酯二元醇与甲苯二异氰酸酯(TDI)混合进行聚合反应，得到预聚体；将所述预聚体与三羟甲基丙烷(TMP)混合进行交联反应，得到所述聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
本发明中聚碳酸酯二元醇(PCDL)是以小分子二元醇为起始剂，由碳酸二甲酯或二苯基碳酸酯制得，PCDL通过与甲苯二异氰酸酯以及扩链剂三羟甲基丙烷进行反应，可以用来合成聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。与传统的多元醇(如普通型聚酯、聚醚等)所合成的聚氨酯材料相比，使聚碳酸酯型聚氨酯具有更优良的力学性能、耐水解性、耐热性、耐氧化性、耐摩擦性及耐化学品性。且本发明采用三元醇类TMP作为交联剂，制备聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料，在具备高强度的同时，也会进一步提高其硬度和耐磨性，从而能够作为密封材料应用。相对于现有的聚氨酯弹性体密封材料，利用聚碳酸酯二元醇制备的聚氨酯具有较高的拉伸强度与弹性模量、极佳的耐磨性和稳定的摩擦系数，可以在隧道掘进机等领域应用。
附图说明
图1为实施例1～3与对比例1制得的聚氨酯弹性体的应力-应变曲线；
图2为实施例1～3与对比例1制得的聚氨酯弹性体的拉伸强度与弹性模量的折线图。
具体实施方式
本发明提供了一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料的制备方法，包括以下步骤：
将聚碳酸酯二元醇与甲苯二异氰酸酯混合进行聚合反应，得到预聚体；
将所述预聚体与三羟甲基丙烷混合进行交联反应，得到所述聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
在本发明中，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比优选为100～130:40～60:10～30，更优选为115.4:60.3:25、116:50.5:20或135:47:16.5。
在本发明中，所述聚碳酸酯二元醇的数均分子量优选为2000。
在本发明中，所述聚合反应的温度优选为60～80℃，更优选为75℃，时间优选为1.5～3h，更优选为2h。
在本发明中，所述聚合反应优选在三口瓶中进行。
得到预聚体后，本发明优选将所述预聚体倒入一次性塑料杯中，置于80℃的真空烘箱中，进行抽气泡，直到无气泡冒出为止，再进行所述交联反应。
所述预聚体与三羟甲基丙烷混合后，本发明优选将所得混合物在80℃的真空烘箱中抽气泡，直到无气泡冒出，然后，将倒入模具中进行所述交联反应。
在本发明中，所述交联反应的温度优选为80～120℃，时间优选为20～40h。更优选为24h。在本发明中，所述交联反应优选在烘箱中进行。
所述交联反应完成后，本发明优选将所得交联产物脱模，得到所述聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
本发明还提供了上述技术方案所述的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料作为掘进机用密封材料的应用。
本发明对所述应用的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
本发明实施例中使用的聚碳酸酯二元醇的数均分子量均为2000。
实施例1
称取115.4g聚碳酸酯二元醇(PCDL)于三口烧瓶中，加入60.3的甲苯二异氰酸酯(TDI)混合均匀，将反应温度升高至75℃，反应2h，停止加热。将预聚体倒入一次性塑料杯中，其置于80℃的真空烘箱中，进行抽气泡，直到无气泡冒出为止。加入25g三羟甲基丙烷作为交联剂，搅拌均匀并在80℃的真空烘箱中抽气泡，直到无气泡冒出。然后，将其倒入模具中，放在80℃的烘箱中，进行固化，24h后取出，脱模得到完全交联的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体。
实施例2
称取116g的聚碳酸酯二元醇(PCDL)于三口烧瓶中，加入50.5g甲苯二异氰酸酯(TDI)混合均匀，将反应温度升高至75℃，反应2h，停止加热。将预聚体倒入一次性塑料杯中，其置于80℃的真空烘箱中，进行抽气泡，直到无气泡冒出为止。加入20g三羟甲基丙烷作为交联剂，搅拌均匀并在80℃的真空烘箱中抽气泡，直到无气泡冒出。然后，将其倒入模具中，放在80℃的烘箱中，进行固化，24h后取出，脱模得到完全交联的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体。
实施例3
称取135g聚碳酸酯二元醇(PCDL)于三口烧瓶中，加入47g甲苯二异氰酸酯(TDI)混合均匀，将反应温度升高至75℃，反应2h，停止加热。将预聚体倒入一次性塑料杯中，其置于80℃的真空烘箱中，进行抽气泡，直到无气泡冒出为止。加入16.5g三羟甲基丙烷作为交联剂，搅拌均匀并在80℃的真空烘箱中抽气泡，直到无气泡冒出。然后，将其倒入模具中，放在80℃的烘箱中，进行固化，24h后取出，脱模得到完全交联的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体。
对比例1
称取33g的聚碳酸酯二元醇(PCDL)于三口烧瓶中，加入14g甲苯二异氰酸酯(TDI)混合均匀，将反应温度升高至75℃，反应2h，停止加热。将预聚体倒入一次性塑料杯中，其置于80℃的真空烘箱中，进行抽气泡，直到无气泡冒出为止。加入5.9g的1,4-丁二醇作为交联剂，搅拌均匀并在80℃的真空烘箱中抽气泡，直到无气泡冒出。然后，将其倒入模具中，放在80℃的烘箱中，进行固化，24h后取出，脱模得到完全交联的形状记忆聚氨酯
测试条件为：利用高速环块磨损试验机(MR-H3B，3kN)在干摩擦的条件下对材料的摩擦系数进行测试，试验力：132N，转速为70r/min，测试时间为2h。使用ShimadzuAG-X(500N)电子万能试验机进行测试，拉伸速度为10mm/min，样品形状根据国际标准ISO-527-2/5B裁成哑铃状。利用高温阿克隆磨耗机(GT-7012-AH1)对聚氨酯弹性体密封材料的耐磨性能进行研究，样品的形状根据国标GB/T 1689-2014裁成长条形。利用硬度计对聚氨酯的硬度(邵A)测试。
图1为实施例1～3与对比例1制得的聚氨酯弹性体的应力-应变曲线，图2为实施例1～3与对比例1制得的聚氨酯弹性体的拉伸强度与弹性模量的折线图，由图1和图2可以看出通过调控聚碳酸酯型聚氨酯弹性体的交联密度，可以对其力学性能进行调控，采用TMP作为交联剂制备的聚碳酸酯型聚氨酯(实施例1～3)与采用1,4-丁二醇作为扩链剂(对比例1)的聚碳酸酯型聚氨酯相比，具有较高的拉伸强度与弹性模量。
由表1的实施例1～3和对比例1可以看出，由本发明方法获得的聚碳酸酯型聚氨酯具有较高的耐磨性和摩擦系数稳定性，可以作为密封材料使用。
表1实施例1～3和对比例1制得的聚氨酯弹性体的摩擦系数和磨损率
Figure BDA0003221229120000051
Figure BDA0003221229120000061
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚碳酸酯二元醇与甲苯二异氰酸酯混合进行聚合反应，得到预聚体；
将所述预聚体与三羟甲基丙烷混合进行交联反应，得到所述聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为100～130:40～60:10～30。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为115.4:60.3:25。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为116:50.5:20。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸酯二元醇、甲苯二异氰酸酯与三羟甲基丙烷的质量比为135:47:16.5。
6.根据权利要求1～5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述聚碳酸酯二元醇的数均分子量为2000。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚合反应的温度为60～80℃，时间为1.5～3h。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交联反应的温度为80～120℃，时间为20～40h。
9.权利要求1～8任一项所述制备方法制得的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料。
10.权利要求9所述的聚碳酸酯型聚氨酯弹性体密封材料作为掘进机用密封材料的应用。
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