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聚丁二烯型聚氨酯脲:制备工艺优化与性能改性的深度探索

一、引言

1.1研究背景与意义

聚丁二烯型聚氨酯脲作为一种重要的高分子材料,近年来在材料科学领域备受关注。它结合了聚丁二烯的良好柔韧性、耐水性以及聚氨酯脲的高强度、高耐磨性等优点,展现出优异的综合性能,在航空航天、汽车制造、电子电器、建筑等众多领域具有广泛的应用前景。例如,在航空航天领域,聚丁二烯型聚氨酯脲可用于制造飞机的密封件、减震材料等,因其出色的耐高低温性能和机械性能,能够确保飞机在极端环境下的安全运行;在汽车制造中,可应用于轮胎、内饰等部件,提高汽车的舒适性和耐用性。

然而,目前聚丁二烯型聚氨酯脲在实际应用中仍面临一些挑战。一方面,传统的制备工艺存在反应条件苛刻、生产效率低、产物性能不稳定等问题,限制了其大规模工业化生产和应用。例如,某些制备方法需要高温高压条件,不仅增加了生产成本,还对设备要求较高,且在反应过程中容易产生副反应,影响产物质量。另一方面,其自身的性能也有待进一步提升,如耐老化性能、耐化学腐蚀性等方面的不足,限制了其在一些特殊环境下的应用。在户外使用的建筑密封材料中,聚丁二烯型聚氨酯脲可能会因长期受到紫外线、氧气、水分等因素的作用而发生老化,导致密封性能下降。

因此,对聚丁二烯型聚氨酯脲的制备与改性进行深入研究具有重要的现实意义。通过改进制备工艺,可以降低生产成本,提高生产效率,优化产物性能,从而推动其在更多领域的应用。同时,对其进行改性研究,能够赋予材料新的性能或改善其现有性能,满足不同领域对材料性能的多样化需求,进一步拓展聚丁二烯型聚氨酯脲的应用范围,为相关产业的发展提供有力的材料支持。

1.2国内外研究现状

在聚丁二烯型聚氨酯脲的制备方面,国内外学者进行了大量研究。传统的制备方法主要包括一步法和预聚法。一步法是将液体端羟基聚丁二烯橡胶、异氰酸酯和小分子固化剂直接共混反应制备聚丁二烯型聚氨酯脲。如专利200710062127.6公开的方法,将液体端羟基聚丁二烯橡胶,端羟基聚四氢呋喃齐聚物和1,4-正丁醇脱水后于80-100°C加入4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)搅拌反应得到聚丁二烯型聚氨酯。这种方法的优点是工艺简单、操作方便,但由于异氰酸酯易与空气中的水汽反应,且小分子固化剂活性高于聚丁二烯的羟基活性,使得制备过程易受到外界水汽的反应干扰,同时可能导致材料软、硬段相分离程度较大,进而降低材料强度。

预聚法是先由过量异氰酸酯与液体端羟基聚丁二烯橡胶反应,得到异氰酸酯封端的聚丁二烯预聚物,用时将该预聚物再与小分子固化剂反应得到聚丁二烯型聚氨酯脲。文献(陈清元等,高分子材料科学与工程,2000,16(5):70)报道了将液体端羟基聚丁二烯橡胶先与甲苯二异氰酸酯(TDI)在60°C反应2小时得到异氰酸酯封端的聚丁二烯预聚物,再加入二醇扩链剂反应得到聚丁二烯型聚氨酯的方法。预聚法减少了聚丁二烯型聚氨酯脲软、硬段相分离程度,确保了材料的本体强度,但预聚后,异氰酸酯封端的聚丁二烯预聚体在贮存过程中异氰酸酯仍易与空气中的水汽反应,预聚体不易长时间保存。

为了解决传统制备方法的不足,近年来国内外出现了一些新的制备工艺。一种聚丁二烯型聚氨酯(脲)的合成方法,首先由端羟基聚丁二烯橡胶、异氰酸酯和2,5-二氨基-3,6-二甲硫基甲苯反应,制得苯胺基封端的聚丁二烯预聚物,然后,苯胺基封端的聚丁二烯预聚物与固化剂反应得到聚丁二烯型聚氨酯(脲)。该方法合成的苯胺基封端的聚丁二烯预聚物不含异氰酸酯基团,不会与空气中水汽反应,有利于其长期贮存;同时,由于液体聚丁二烯与小分子胺预先反应接枝,减小了聚丁二烯型聚氨酯(脲)软、硬段的相分离程度,材料强度高;且预聚物中苯胺基与异氰酸酯的反应活性大于羟基数倍,苯胺基封端的聚丁二烯预聚物与异氰酸酯优先反应,可以大幅度降低空气中水汽对反应的干扰。

在聚丁二烯型聚氨酯脲的改性方面,研究主要集中在提高其耐老化性能、耐化学腐蚀性、粘接性能等。为了提高聚丁二烯型聚氨酯脲的耐老化性能,有研究采用添加抗氧剂、紫外线吸收剂等助剂的方法。通过添加受阻酚类抗氧剂和苯并三唑类紫外线吸收剂,有效地提高了聚丁二烯型聚氨酯脲的耐光老化性能。在耐化学腐蚀性方面,有研究通过改变分子结构,引入耐化学腐蚀的基团来提高其性能。合成了含有氟原子的聚丁二烯型聚氨酯脲,由于氟原子的强电负性和低极化率,使得材料的耐化学腐蚀性得到显著提高。针对聚丁二烯型聚氨酯脲粘接性能不足的问题,有研究制备了一种含聚硫醇的聚丁二烯聚氨酯(脲),利用聚硫醇树脂中羟基与异氰酸酯的反应活性明显高于硫醇基与异氰酸酯反应活性的特点,当羟基与异氰酸酯反应后,硫醇则作为活性基团被保留,可以在以后与其他环氧基、异氰酸酯、硫醇基等反

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