CN105440257A - 一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法 - Google Patents

一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及聚氨酯弹性体的制备技术领域，具体涉及一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法，一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：聚酯多元醇70-80份；甲苯二异氰酸酯15-20份，二己基甲苯二胺15-20份；所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：将己二酸、乙二酸和1，4-丁二醇按照质量份比为1.5-2:1:1-1.2加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200-220℃，反应6-8小时后冷却至80℃，减压反应，加热到210-220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2-2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇，其具有硬度高、耐疲劳性能好、原料成本低的特点。

Description

一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚氨酯弹性体的制备技术领域，具体涉及一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法。
背景技术
为了使车架与车身的振动迅速衰减，改善汽车行驶的平顺性和舒适性，汽车悬架系统上一般都装有减震器，汽车上广泛采用的是双向作用筒式减震器。减震器其中一个很重要的部件就是弹簧，弹簧具有可伸长压缩的特性，将车辆经过不平路面时产生的弹跳吸收和释放，减少车辆弹跳的幅度，使车轮尽可能的与路面保持接触，而伸长过程中产生的能量会被避震器的工作转化为热能散播到空气中。
弹簧垫是使用在汽车弹簧下面的部件，用以减轻弹簧与机械设备的损伤和承担部分缓冲效果。目前的弹簧垫采用的材料为PTMG（聚四氢呋喃醚二醇），其具有很好的结构对称性，结晶性能好，作为软段合成的聚氨酯弹性体，拥有很好的力学性能，通过设计游离异氰酸酯的值，以制作不同硬度的聚氨酯制品。但是目前PTMG的成本太高，每一吨平均在2800元左右，并且技术上也被国外的企业垄断，在国内价格高，难以得到推广。若采用其它低成本的物料，则硬度低、耐疲劳性差，难易满足实际的使用需求。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法，其具有硬度高、耐疲劳性能好、原料成本低的特点。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇70-80份
甲苯二异氰酸酯15-20份
二己基甲苯二胺15-20份；
其中，所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.5-2:1:1-1.2加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200-220℃，反应6-8小时后冷却至80-90℃，减压反应，加热到210-220℃，调节真空度至0.1-0.2MPA，持续2-2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。通过上述方法得到的聚酯多元醇原料成本低，硬度高，且耐疲劳效果好。
进一步的，一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇75份
甲苯二异氰酸酯17份
二己基甲苯二胺15份。
利用本发明制备的聚酯多元醇与甲苯二异氰酸酯和二己基甲苯二胺通过75:17:15配合，得到的聚氨酯弹性体硬度高、耐疲劳性能好，尤其适用于汽车弹簧垫的应用。
其中，所述甲苯二异氰酸酯中的2，4－甲苯二异氰酸酯的质量分数为80%。甲苯二异氰酸酯有2，4－甲苯二异氰酸酯和2，6－甲苯二异氰酸酯两种异构，本发明优选质量分数为80%的2，4－甲苯二异氰酸酯，则含有20%的2，6－甲苯二异氰酸酯，制备得到的聚氨酯弹性材料综合性能较佳。
其中，所述二己基甲苯二胺为含质量分数为65%的3,5-二乙基-2,4-二氨基甲苯和35%的3,5-二乙基-2,6-二氨基甲苯的两种异构体混合物。3,5-二乙基-2,4-二氨基甲苯和3,5-二乙基-2,6-二氨基甲苯是二己基甲苯二胺的两种异构，本发明优选使用质量分数为65%的3,5-二乙基-2,4-二氨基甲苯和35%的3,5-二乙基-2,6-二氨基甲苯的两种异构体混合物，得到的聚氨酯弹性材料硬度大于90A，拉伸强度大于40MPa，伸长率大于500%。
其中，所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200-220℃，反应6-8小时后冷却至80℃，减压反应，加热到210-220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2-2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。通过本发明的制备方法得到的聚酯多元醇机械性能高，耐疲劳性好，并且硬度高。
进一步的，所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至210℃，反应6小时后冷却至80℃，减压反应，加热到220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。上述的制备方法及配方组合得到的聚酯多元醇制备聚氨酯弹性体的力学性能较佳，硬度为95A，拉伸强度为50MPa，撕裂强度为100KN/m，伸长率高达600%。
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1-1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在60-70℃搅拌直至NCO范围为4.5％-6.0％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100-105℃温度下固化0.5-0.8小时，即得聚氨酯弹性体。
其中，所述步骤a中真空脱水时间为1小时，得到材料性能好，稳定性高。
其中，所述步骤b中的温度保持在65℃，NCO为4.8％，得到的预聚体机械强度高，耐热性好。
其中，所述步骤c中的温度为100℃，固化时间为0.5小时。
本发明的有益效果在于：本发明的原材料采用聚酯多元醇、甲苯二异氰酸酯和二己基甲苯二胺，通过三者特定的组分配合，制得具有高硬度和耐疲劳的聚氨酯弹性材料。另外，本发明的聚酯多元醇是通过特定组分及制备方法制备而成，能够有效克服现有技术中利用聚酯多元醇制得的聚氨酯材料力学性能不足缺陷。本发明的有益效果是能有效降低原材料的成本，并且力学性能有所改善，得到的聚氨酯弹性材料硬度高，撕裂强度大、拉伸率好，尤其适合汽车弹簧垫的使用。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
实施例1
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇70份
甲苯二异氰酸酯18份
二己基甲苯二胺20份；
所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.5:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200℃，反应6小时后冷却至80℃，减压反应，加热到220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
利用上述制得的聚酯多元醇制备一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在70℃搅拌直至NCO范围为4.5％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100℃温度下固化0.5小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚氨酯弹性体硬度为93A，拉伸强度为50A，撕裂强度为100KN/m，伸长率为550%。
实施例2
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇80份
甲苯二异氰酸酯20份
二己基甲苯二胺15份；
所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为2:1:1.2加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至220℃，反应8小时后冷却至80℃，减压反应，加热到210℃，调节真空度至0.1MPA，持续2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
利用上述制得的聚酯多元醇制备一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在60℃搅拌直至NCO范围为6.0％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在105℃温度下固化0.8小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚氨酯弹性体硬度为92A，拉伸强度为48A，撕裂强度为95KN/m，伸长率为530%。
实施例3
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇75份
甲苯二异氰酸酯15份
二己基甲苯二胺20份；
所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1.1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至210℃，反应7小时后冷却至80℃，减压反应，加热到215℃，调节真空度至0.1MPA，持续2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
利用上述制得的聚酯多元醇制备一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在65℃搅拌直至NCO范围为4.8％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在105℃温度下固化0.8小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚氨酯弹性体硬度为92A，拉伸强度为48A，撕裂强度为95KN/m，伸长率为530%。
实施例4
一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇75份
甲苯二异氰酸酯17份
二己基甲苯二胺15份；
所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至210℃，反应6小时后冷却至90℃，减压反应，加热到220℃，调节真空度至0.2MPA，持续2小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
利用上述制得的聚酯多元醇制备一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在65℃搅拌直至NCO范围为4.8％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100℃温度下固化0.5小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚酯多元醇硬度为95A，拉伸强度为55A，撕裂强度为100KN/m，伸长率为600%。
对比例1
使用PTMG2000质量份为100份，甲苯二异氰酸酯20份，3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷15.8份，通过以下制备方法制备：
步骤1、将PTMG2000，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1.5小时后真空冷却至室温；
步骤2、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在65℃搅拌直至NCO范围为4.8％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100℃温度下固化0.5小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚酯多元醇硬度为92A，拉伸强度为43A，撕裂强度为100KN/m，伸长率为500%。
对比例2
一种聚氨酯弹性材料，由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇75份
甲苯二异氰酸酯17份
二己基甲苯二胺15份；
所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为4.5:4:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至210℃，反应6小时后冷却至80℃，减压反应，加热到220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
利用上述制得的聚酯多元醇制备一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在65℃搅拌直至NCO范围为4.8％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，通过灌注机将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100℃温度下固化0.5小时，即得聚氨酯弹性体。
通过上述方法得到的聚酯多元醇硬度为85A，拉伸强度为35A，撕裂强度为80KN/m，伸长率为500%。
本发明的聚氨酯弹性材料的耐疲劳性采用GB/T15584-1995进行检测，试验预载力为4900/N，失效次数为175-183万次，失效载荷力为4000-4200。证明本发明的聚氨酯弹性材料耐疲劳性能突出。
通过以上对比分析可得，采用现有的PTMG2000制备得到的聚氨酯弹性体的力学性能较佳，可是材料成本过高，不利于工业化生产的需求。而本发明的聚酯多元醇是采用特定的方法和组分制得的，当其原料组分发生变化时，其力学性能会受到较大的影响。进一步证明本发明能够确保材料力学性能的同时，有效降低材料的成本，经济效益高。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本发明构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，其特征在于：由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇70-80份
甲苯二异氰酸酯15-20份
二己基甲苯二胺15-20份；
其中，所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：
将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.5-2:1:1-1.2加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200-220℃，反应6-8小时后冷却至80-90℃，减压反应，加热到210-220℃，调节真空度至0.1-0.2MPA，持续2-2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
2.根据权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料及其制备方法，其特征在于：由以下重量份的原料组成：
聚酯多元醇75份
甲苯二异氰酸酯17份
二己基甲苯二胺15份。
3.根据权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，其特征在于：所述甲苯二异氰酸酯中的2，4－甲苯二异氰酸酯的质量分数为80%。
4.根据权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，其特征在于：所述二己基甲苯二胺为含质量分数为65%的3,5-二乙基-2,4-二氨基甲苯和质量分数为35%的3,5-二乙基-2,6-二氨基甲苯的两种异构体混合物。
5.根据权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，其特征在于：所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至200-220℃，反应6-8小时后冷却至80℃，减压反应，加热到210-220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2-2.5小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
6.根据权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料，其特征在于：所述聚酯多元醇由以下质量份的组分通过以下制备方法制备而成：将己二酸、乙二酸和1,4-丁二醇按照质量份比为1.8:1:1加入至反应容器，通入氮气去除体系内的空气，升温至210℃，反应6小时后冷却至80℃，减压反应，加热到220℃，调节真空度至0.1MPA，持续2小时，继续通氮气后冷却得到聚酯多元醇。
7.权利要求1所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，其特征在于：包括以下制备步骤：
步骤a、将聚酯多元醇，加入反应容器中升温至120℃，在真空度为0.1MPa条件下脱水1-1.5小时后真空冷却至室温；
步骤b、加入甲苯二异氰酸酯后保持温度在60-70℃搅拌直至NCO范围为4.5％-6.0％，得到预聚体；
步骤c、按质量份将二己基甲苯二胺加入到步骤b合成好的预聚体中，将预聚体与二己基甲苯二胺混合浇筑，在100-105℃温度下固化0.5-0.8小时，即得聚氨酯弹性体。
8.权利要求7所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a中真空脱水时间为1小时。
9.权利要求7所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，其特征在于：所述步骤b中的温度保持在65℃，NCO为4.8％。
10.权利要求7所述的一种高硬度耐疲劳的聚氨酯弹性材料的制备方法，其特征在于：所述步骤c中的温度为100℃，固化时间为0.5小时。
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