CN105131248A - 一种耐高温的机器人履带及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种耐高温的机器人履带及其制备方法，涉及一种机器人履带及其制备方法，所述履带聚合物多元醇、多异氰酸酯、催化剂、扩链剂、耐热剂、抗氧剂、改性剂、芳纶纤维组份制成：数均分子量为1000~3000的聚合物多元醇100份；多异氰酸酯18~22份；催化剂0.2-0.4份；扩链剂5-15份；耐热剂5-10份；抗氧剂3-8份；改性剂5-10份。本发明采用规整性以及对称性好、官能度较高、苯环含量高的聚酯多元醇以及异氰酸酯为原料，利用环体较大空间位阻，阻碍分子链段在受热过程中的相对运动，分离聚氨酯弹性体的软链段区和硬链段区，显著提高聚氨酯弹性体耐热形变性能。

Description

一种耐高温的机器人履带及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种机器人履带及其制备方法，特别是涉及一种耐高温的机器人履带及其制备方法。
背景技术
现在的移动机器人已经在各领域有着广泛的应用，包括反恐防暴、应急救援、极地探测、电力设施检测与维护以及核辐射探测等，移动机器人要经常工作于各种复杂的极端环境（高低温、、超高压、核辐射等）和各种地形（软硬地面、滩涂、草地、壕沟等）。要求其具有良好的适应性、灵活性，以克服环境的不稳定性的机器人的行走机构是必要的保证。履带作为机器人的一个重要主行走部件，其性能的优劣对移动机器人有着至关重要的影响，履带的材料、结构及成型方法都决定着履带及其移动机器人是否能适应各种复杂极端的环境。
弹性体浇注型机器人履带是一种全新的履带，是为了适应复杂极端环境机器人的轻质、高强要求而设计的，它结合了同步齿形带和橡胶履带的优势，摒弃了橡胶履带繁琐的多层结构，合并了芯金块、包覆层、缓冲层和花纹块为整体浇注层，采用一次整体浇注成型或二次分体浇注成型，这样不仅可以大幅度提高层间的强度和结合力，而且缩小了履带截面尺寸，简化了生产工艺，降低了履带重量，特别适合应用于机器人复杂多变的特点和满足包括行走，变形、摆臂、爬越障碍等多自由度机器人的要求。
但是普通得浇注型聚氨酯弹性体在80℃以下可以长期使用，120℃仅数小时。由于聚氨酯弹性体在常温下的优异性能无法在高温下保持，限制了机器人使用的范围，所以开发耐高温特种聚氨酯弹性体机器人履带日益成为机器人履带研究的前沿问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐高温的机器人履带及其制备方法，本发明采用规整性以及对称性好、官能度较高、苯环含量高的聚酯多元醇以及异氰酸酯为原料，加入耐热剂，并在聚氨酯分子主链上引入热稳定性好的杂环(如异氰脲酸酯环、聚酰亚胺环、唑烷酮环等)结构，利用环体较大空间位阻，阻碍分子链段在受热过程中的相对运动，分离聚氨酯弹性体的软链段区和硬链段区，显著提高聚氨酯弹性体耐热形变性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的一种耐高温的机器人履带，由聚合物多元醇、多异氰酸酯、催化剂、扩链剂、耐热剂、抗氧剂、改性剂、芳纶纤维组份制成：
数均分子量为1000~3000的聚合物多元醇100份
多异氰酸酯18~22份
催化剂0.4-0.6份
扩链剂5-15份
耐热剂5-10份
抗氧剂3-8份
改性剂5-10份
数均分子量为2000~3000的聚合物多元醇为PEA2000、PEA3000、PCL2000、PPG3000、PPG2000、PTMG2000、PTMG3000中的一种。
多异氰酸酯为TDI-80、TDI-100、MDI-100、CHDI、PAPI中的一种。
催化剂为二丁基二月桂酸锡、三亚乙基二胺、三乙醇胺中的一种。
扩链剂为1，4-丁二醇、1，4-二羟乙氧基苯3，3’二氯-4，4’二苯基甲烷二胺、3，5-二甲硫基甲苯二胺中的一种。
耐热剂为甲基乙烯基硅橡胶、乙烯基硅橡胶中的一种。
抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）、三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯（抗氧剂168）中的一种。
改性剂为热稳定性好的异氰脲酸酯环、聚酰亚胺环、唑烷酮环杂环中的一种。
本发明所述的一种耐高温的机器人履带的制备方法，包括以下步骤：
(1)预聚体制备
将一定量耐热剂的经烘干、粉碎处理后，与聚多元醇混合，加入计量的改性剂，40-50℃温度下用热剪切机以3000-4000r/min速度热剪切10-15min成均匀相，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃左右，快速与计量的异氰酸酯和催化剂混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体。
(2)耐热性的机器人履带的制造
将用硅烷偶联剂活化表面的芳纶纤维整根绳状缠绕环形带的方式缠绕在模具上，然后机器人履带的制造称取计量的预聚体，加热升温，真空脱泡2min左右，将计量的硅烷偶联剂处理的二硫化钼加入到预聚体中，在80～90℃下加热反应30min，然后加入计量的扩链剂、抗氧剂并快速搅拌，浇注到预热120℃并涂有脱模剂的模具中，待达到不粘手时，加压硫化50-90min后脱模。最后在110℃的烘箱中后硫化12h，取出修边，即得一种耐高温的机器人履带。
本发明的优点与效果是：
本发明所述的一种耐高温的机器人履带主要用于移动机器人在复杂、极端高温的环境、各种地形（软硬地面、滩涂、草地、壕沟等）下使用等。
综上所述，本发明所述的一种耐高温的机器人履带具有以下优点：
(1)在制备聚氨酯预聚体是，采用规整性以及对称性好、官能度较高、苯环含量高的原材料，加入耐热剂，使得聚氨酯弹性体的软链段区和硬链段区分离很好，从而耐热性得到大幅度提高。
(2)在聚氨酯分子主链上引入热稳定性好的杂环(如异氰脲酸酯环、聚酰亚胺环、唑烷酮环等)结构，利用环体较大空间位阻，阻碍分子链段在受热过程中的相对运动，能显著提高聚氨酯弹性体耐热形变性能。
(3)履带整体采用非金属结构，选择绳整体缠绕成型的芳纶纤维作为骨架层，选择浇注型聚氨酯为胎体材料，可以大大降低履带重量，使其特别适合机器人复杂多变的特点。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进一步说明。
以下实例中未做特别说明的份数，均指质量份数。
实施例1
(1)预聚体制备
将6g甲基乙烯基硅橡胶经烘干、粉碎处理后，与100gPCL2000混合，加入10g的三聚体异氰脲酸酯改性剂，40-50℃温度下用热剪切机以3000-4000r/min速度热剪切10-15min成均匀相，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃左右，快速与19g的PAPI和0.5g三亚乙基二胺混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体。
(2)耐热性的机器人履带的制造
将用硅烷偶联剂活化表面的15g芳纶纤维整根绳状缠绕环形带的方式缠绕在模具上，然后机器人履带的制造称取计量的预聚体，加热升温，真空脱泡2min左右，将5g的硅烷偶联剂处理的二硫化钼加入到预聚体中，在80～90℃下加热反应30min，然后加入8g的1，4-二羟乙氧基苯、3g抗氧剂1010和1g抗氧剂168并快速搅拌，浇注到预热120℃并涂有脱模剂的模具中，待达到不粘手时，加压硫化50-90min后脱模。最后在110℃的烘箱中后硫化12h，取出修边，即得一种耐高温的机器人履带。
实施例2
(1)预聚体制备
将8g甲基乙烯基硅橡胶经烘干、粉碎处理后，与100gPCL2000混合，加入14g的三聚体异氰脲酸酯改性剂，40-50℃温度下用热剪切机以3000-4000r/min速度热剪切10-15min成均匀相，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃左右，快速与19g的PAPI和0.5g三亚乙基二胺混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体。
(2)耐热性的机器人履带的制造
同实施例1
实施例3
(1)预聚体制备
将10g甲基乙烯基硅橡胶经烘干、粉碎处理后，与100gPCL2000混合，加入18g的三聚体异氰脲酸酯改性剂，40-50℃温度下用热剪切机以3000-4000r/min速度热剪切10-15min成均匀相，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃左右，快速与19g的PAPI和0.5g三亚乙基二胺混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体。
(2)耐热性的机器人履带的制造
同实施例1
对比例
(1)预聚体制备
将100gPCL2000，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃左右，快速与19g的PAPI和0.5g三亚乙基二胺混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体。
(2)耐热性的机器人履带的制造
将用硅烷偶联剂活化表面的15g芳纶纤维整根绳状缠绕环形带的方式缠绕在模具上，然后机器人履带的制造称取计量的预聚体，加热升温，真空脱泡2min左右，将5g的硅烷偶联剂处理的二硫化钼加入到预聚体中，在80～90℃下加热反应30min，然后加入8g的1，4-二羟乙氧基苯并快速搅拌，浇注到预热120℃并涂有脱模剂的模具中，待达到不粘手时，加压硫化50-90min后脱模。最后在110℃的烘箱中后硫化12h，取出修边，即得一种耐高温的机器人履带。
实施例与对比例制得的浇注型聚氨酯弹性体机器人履带进行性能测试，结论如下：
硬度（邵A）≥75；扯断强度≥20MPa；
拉伸永久变形≤10%；撕裂强度≥80KN/m
对所制得的改性后的聚氨酯弹性体机器人履带实施例1-3和对比例进行热失重分析，其初始失重温度、失重5%、10%的失重温度见下表：
从上表可以看出，由于加了甲基乙烯基硅橡胶耐热剂和三聚体异氰脲酸酯改性剂，制得的产品显著的提高了聚氨酯弹性体履带的热分解温度，从而提高了聚氨酯弹性体的耐热性。

Claims (9)

1.一种耐高温的机器人履带，其特征在于：所述履带聚合物多元醇、多异氰酸酯、催化剂、扩链剂、耐热剂、抗氧剂、改性剂、芳纶纤维组份制成：数均分子量为1000~3000的聚合物多元醇100份；多异氰酸酯18~22份；催化剂0.2-0.4份；扩链剂5-15份；耐热剂5-10份；抗氧剂3-8份；改性剂5-10份。
2.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：数均分子量为2000~3000的聚合物多元醇为PEA2000、PEA3000、PCL2000、PPG3000、PPG2000、PTMG2000、PTMG3000中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：多异氰酸酯为TDI-80、TDI-100、MDI-100、CHDI、PAPI中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：催化剂为二丁基二月桂酸锡、三亚乙基二胺、三乙醇胺中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：扩链剂为1，4-丁二醇、1，4-二羟乙氧基苯3，3’二氯-4，4’二苯基甲烷二胺、3，5-二甲硫基甲苯二胺中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：耐热剂为甲基乙烯基硅橡胶、乙烯基硅橡胶中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：抗氧剂为四[β-(3，5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯（抗氧剂1010）、三（2，4-二叔丁基苯基）亚磷酸酯（抗氧剂168）中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种耐高温的机器人履带，其特征在于：改性剂为热稳定性好的异氰脲酸酯环、聚酰亚胺环、唑烷酮环杂环中的一种。
9.一种耐高温的机器人履带的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下制备步骤：
预聚体制备
将耐热剂的经烘干、粉碎处理后，与聚多元醇混合，加入计量的改性剂，40-50℃温度下用热剪切机以3000-4000r/min速度热剪切10-15min成均匀相，然后在90-120℃，0.096-0.097MPa真空度条件下搅拌脱水2-3h，冷却至60℃，快速与计量的异氰酸酯和催化剂混合，在氮气保护下反应2-3小时，抽真空脱气后得到聚氨酯预聚体；
耐热性的机器人履带的制造
将用硅烷偶联剂活化表面的芳纶纤维整根绳状缠绕环形带的方式缠绕在模具上，然后机器人履带的制造称取计量的预聚体，加热升温，真空脱泡2min，将计量的硅烷偶联剂处理的二硫化钼加入到预聚体中，在80～90℃下加热反应30min，然后加入计量的扩链剂、抗氧剂并快速搅拌，浇注到预热120℃并涂有脱模剂的模具中，待达到不粘手时，加压硫化50-90min后脱模；最后在110℃的烘箱中后硫化12h，取出修边，即得一种以芳纶为骨架的浇注型聚氨酯机器人履带。
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