CN102153853A - 一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体及其制备方法，提供了一种可重复加工的、具有优良的力学性能和耐热耐油性能的硅橡胶/聚氨酯热塑性弹性体及制备方法；该弹性体由聚氨酯、硅橡胶、交联剂、催化剂和相容剂组成；其制备方法包括：在密炼机或双螺杆挤出机中，160~200℃的共混温度下，首先将聚氨酯加入到共混设备中，之后加入硅橡胶，相容剂，共混3~4分钟后，加入交联剂，最后加入催化剂；反应共混6~7分钟后，得到高性能动态硫化的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体；与其它类型的热塑性弹性体相比，具有优良的耐热性能、耐摩擦性能和力学性能，良好的手感性，可广泛应用于汽车、建筑、医疗器械、电缆等领域。

Description

一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种动态硫化的聚氨酯/硅橡胶共混型热塑性弹性体及制备方法。
背景技术
动态硫化是指在橡胶相与不能硫化的热塑性聚合物熔融密炼过程中,将橡胶进行就地硫化,得到粒状的硫化橡胶相分散在热塑性聚合物基体中,并且橡胶微区形态非常稳定,在加工过程中不会发生物化变化，所形成的共混材料既结合了橡胶的弹性，又结合了塑料的可重复加工性能。其中，PP（聚丙烯）/EPDM(乙丙三元橡胶)动态硫化产物是成功开发的商品化产物之一，但由于其耐热性较低，限制了其在汽车发动机引擎等需要高温应用的领域。
热塑性聚氨酯弹性体( TPU) 作为一种集橡胶的高弹性与塑料的成型加工性于一体的特殊材料 ,综合性能十分优异 ,具有优良的延伸回复性 ,耐寒、 耐油、 耐磨耗、 耐弯折 ,大量用于汽车业、 制鞋业、 电线和电缆等行业。CN1368991A给出了TPU/非极性橡胶经动态硫化后的产物，所述非极性橡胶有丁基橡胶（BR）、丁二烯苯乙烯橡胶（SBR）、异戊橡胶（IR）、天然橡胶（NR）、乙丙橡胶（EPR）、EPDM。CN101712797A给出了TPU/氯化聚乙烯动态硫化产物。
众所周知，硅橡胶具有突出的耐高、低温性能和耐天候老化性能，但在机械强度、耐油等方面存在一定的不足；而TPU具有优异的力学性能和耐油性，但其耐热性能存在不足。因此，若将两者结合，并通过动态硫化方法制备热塑性弹性体，将使两者性能得到优势互补，开发一种可应用于高温及需要耐油等环境使用的高性能动态硫化产物。
发明内容
本发明的目的是提供可重复加工的一种具有优良力学性能和耐热耐油性能的硅橡胶/聚氨酯热塑性弹性体及制备方法。
本发明提供的一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，由聚氨酯、硅橡胶、交联剂、催化剂和相容剂组成，该热塑性弹性体的组成按重量份数为：
硅橡胶                   100份
交联剂                   1.0~6.0份
催化剂                   0.07~0.35份
相容剂                   1.0~10.8份
聚氨酯                   35~535份。
所述的硅橡胶其每分子中平均至少具有两个乙烯基。
所述聚氨酯为聚酯型聚氨酯或聚醚型聚氨酯。
所述交联体采用每分子至少含有两个硅氢键的有机硅化合物，具体为甲烷氧基端封的二甲基氢基聚硅氧烷或环状的甲基氢聚硅氧烷。
所述催化剂为铂催化剂，具体为氯铂酸–异丙醇、氯铂酸–四甲基二乙烯基二硅氧烷或氯铂酸–邻苯二甲酸二乙酯。
所述的相容剂为硅改性聚氨酯，由羟基硅油、异氰酸、聚酯多元醇或聚醚多元醇和扩链剂反应制得，反应条件在氮气环境和60℃温度条件下，反应时间3h。
本发明还提供一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体的制备方法，包括如下步骤：在密炼机或双螺杆挤出机中， 160~200℃的共混温度下，按重量份数，首先将聚氨酯加入到共混设备中，之后加入硅橡胶，相容剂，共混3~4分钟后，加入交联剂，最后加入催化剂，反应共混6~7分钟后，得到高性能动态硫化的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体。
本发明采用的硅橡胶（VSR）其每分子中平均至少具有两个乙烯基，可选用经填料填充的硅橡胶，或在聚氨酯与硅橡胶共混的过程中加入填料，以增强硅橡胶；聚氨酯可为热塑性聚酯型聚氨酯或聚醚型聚氨酯，其中优选聚酯型聚氨酯；交联体系采用每分子至少含有两个硅氢键的有机硅化合物，如甲烷氧基端封的二甲基氢基聚硅氧烷、环状的甲基氢聚硅氧烷，本实验选用硅氢含量（重量分数）为0.3~2%有机硅化合物；催化剂为铂催化剂，可以为氯铂酸–异丙醇、氯铂酸–四甲基二乙烯基二硅氧烷、氯铂酸–邻苯二甲酸二乙酯，由于氯铂酸–四甲基二乙烯基二硅氧烷催化效率最高，本实验选用氯铂酸和四甲基二乙烯基二硅氧烷络合的铂络合物；本发明采用的相容剂为硅改性聚氨酯，由羟基硅油、异氰酸（MDI或TDI）、聚酯多元醇或聚醚多元醇和扩链剂（二元醇）反应制得，反应条件优选在氮气环境和60℃温度条件下，反应时间优选3h。
本发明采用动态硫化制备热塑性弹性体，在剪切作用下，加入交联剂和催化剂对硅橡胶进行就地硫化，橡胶含量较低时，橡胶微米级粒子直接形成分散相；橡胶含量较高时，硅橡胶发生交联反应，致使粘度增加，发生相反转，交联的硅橡胶在剪切力作用下由连续相转变为交联的微米级橡胶粒子分散于聚氨酯连续相中。采用这种方法制备的热塑性弹性体加工工艺简单，生产成本低，并具有良好的耐化学溶剂的性能，而且可以回收利用。
本发明所制备的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体的主要性能如下：
硬度：（邵氏A）  64–85
抗张强度： 6.58–16.56MPa
断裂伸长率：303.3–943.1%
撕裂强度：15.0–36.7KN/m
压缩永久变形17–29.3%
长期使用温度：﹣50–150℃。
本发明的有益效果：
本发明与普通硫化橡胶相比具有以下优点：不需要硫化，加工工艺可采用热塑性塑料加工方法，生产效益高；本发明与其它类型的热塑性弹性体相比，具有优良的耐热性能、耐摩擦性能和力学性能，良好的手感性，可广泛应用于汽车、建筑、医疗器械、电缆等领域。
附图说明
图1 无相容剂的热塑性弹性体的SEM。
图2 加入4.5相容剂的热塑性弹性体的SEM。
从图1和图2可以看出，聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性呈海岛结构形态，硅橡胶分散在聚氨酯基体中。在热塑性弹性体中加入相容剂，橡胶颗粒变得更细，且颗粒分布更均匀。
具体实施方式
下面实施是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
实施例所采用的测试标准：
抗张强度 GB528–1998室温  电子拉力机  拉伸速率：500mm/min
撕裂强度 GB/T 529-1999 室温  电子拉力机 拉伸速率：500mm/min
硬度 GB/T6031–1998 室温  LS-A橡胶邵氏A硬度计
压缩永久变形 GB/T 7759–1996，温度150℃，测试时间：24h  橡胶压缩永久变形试验器。
实施例1~4：将转矩流变仪（上海科创有限公司）加热到190℃，将表1所列配方中的聚氨酯 TPU和硅橡胶VSR加入到转矩流变仪中，待物料熔融混炼均匀后，加入交联剂，交联剂选用硅氢含量（重量分数）为0.3~2%有机硅化合物甲烷氧基端封的二甲基氢基聚硅氧烷（下同），待转矩平衡后，加入催化剂，转子转速为70转/分，共混炼10分钟，取出样品，压片性能测试。本实验催化剂选用氯铂酸和四甲基二乙烯基二硅氧烷络合的铂络合物（下同）。
比较例4：将转矩流变仪加热到190℃，将表1所列配方中的TPU和VSR投入到流变仪中，待物料熔融混炼均匀后，取出样品压板测试产品的性能，转子转速为70转/分。本实验催化剂选用氯铂酸和四甲基二乙烯基二硅氧烷络合的铂络合物。                                                
Figure 937008DEST_PATH_IMAGE001
从表1可以看出，简单共混物的力学性能较差。动态硫化能明显改善力学性能，硅橡胶的含量较少时，弹性体的硬度较大；硅含量较高时，弹性体的撕裂强度差。
实施例5~8：将转矩流变仪加热到190℃，将表2所列配方中的TPU和VSR加入到流变仪中，待物料熔融混炼均匀后，加入交联剂，待转矩平衡后，加入催化剂，转子转速为70转/分，共混炼10分钟，取样压板，性能测试。
Figure 791832DEST_PATH_IMAGE002
从表2可以看出，热塑性弹性体机械性随催化剂含量增加而增加，当催化剂含量到达一定的比例时，热塑性弹性体的性能几乎不变。
实施例9~10及12~13：将转矩流变仪加热到190℃，将表3所列配方中的TPU和VSR投入到流变仪中，待物料熔融混炼均匀后，加入交联剂，待转矩平衡后，加入催化剂，转子转速为70转/分，共混炼10分钟，取出样品压板测试产品的性能。
实施例11：将转矩流变仪加热到190℃，将表3所列配方中的TPU和VSR加入到转矩流变仪中，待物料熔融混炼均匀后，加入交联剂，待转矩平衡后，加入催化剂，转子转速为70转/分，共混炼10分钟，取样在液氮中冷却，超薄切片，SEM观察样品形貌。取样压片，性能测试。
Figure 571569DEST_PATH_IMAGE003
从表3可以看出，当交联剂含量较少时，弹性体的机械性能较差。当交联剂含量为3份时，弹性体的性能最好。
实施例14~17：将转矩流变仪加热到190℃，将表3所列配方中的TPU、VSR和相容剂投入到流变仪中，本实验采用的相容剂为硅改性聚氨酯，由羟基硅油、异氰酸（MDI或TDI）、聚酯多元醇或聚醚多元醇和扩链剂（二元醇）反应制得，反应条件优选在氮气环境和60℃温度条件下，反应时间优选3h。
待物料熔融混炼均匀后，加入交联剂，待转矩平衡后，加入催化剂，转子转速为70转/分，共混炼10分钟，取出样品压板测试产品的性能。
Figure 153729DEST_PATH_IMAGE004
从表4可以看出，相容剂的加入有利于热塑性弹性体的机械性能改善，但加入太多，机械性能反而变差。

Claims (7)

1.一种聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：由聚氨酯、硅橡胶、交联剂、催化剂和相容剂组成，该热塑性弹性体的组成按重量份数为：
硅橡胶                   100份
交联剂                   1.0~6.0份
催化剂                   0.07~0.35份
相容剂                   1.0~10.8份
聚氨酯                   35~535份。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：所述的硅橡胶其每分子中平均至少具有两个乙烯基。
3.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：所述聚氨酯为聚酯型聚氨酯或聚醚型聚氨酯。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：所述交联体采用每分子至少含有两个硅氢键的有机硅化合物，具体为甲烷氧基端封的二甲基氢基聚硅氧烷或环状的甲基氢聚硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：所述催化剂为铂催化剂，具体为氯铂酸–异丙醇、氯铂酸–四甲基二乙烯基二硅氧烷或氯铂酸–邻苯二甲酸二乙酯。
6.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体，其特征在于：所述的相容剂为硅改性聚氨酯，由羟基硅油、异氰酸、聚酯多元醇或聚醚多元醇和扩链剂反应制得，反应条件在氮气环境和60℃温度条件下，反应时间3h。
7.根据权利要求1所述的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体的制备方法，其特征在于如下步骤：在密炼机或双螺杆挤出机中， 160~200℃的共混温度下，按重量份数，首先将聚氨酯加入到共混设备中，之后加入硅橡胶，相容剂，共混3~4分钟后，加入交联剂，最后加入催化剂，反应共混6~7分钟后，得到高性能动态硫化的聚氨酯/硅橡胶热塑性弹性体。
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