CN109627415B - 一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用 - Google Patents

一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用，以解决现有技术中存在的电梯坑底缓冲器安全性低，不能满足欧盟最新标准EN81‑20/50的技术问题。该方法主要包括：(1)：聚氨酯预聚体的制备；(2)：聚氨酯交联剂的制备，其中梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物为市售产品或合成产品；(3)使用低压发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂混匀，浇注至模具中成型，然后脱模，进一步后熟化后得到含支链的耗能微孔弹性体材料。由本发明提供的方法制备的含支链的耗能微孔弹性体材料具有载荷高、缓冲性能好、安全系数高、耐水解等特点，当其应用于电梯坑底缓冲器时，可同时满足国标GB/7588和欧标EN81‑20/50的要求。

Description

一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于聚合物合成及高分子材料制备领域，具体涉及一种通过利用梳状端羟基聚丁二醇接枝共聚物二元醇、聚四氢呋喃二元醇制备得到的一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用。
背景技术
聚氨酯电梯坑底缓冲器适用于速度低于1m/s的低速电梯，是电梯发生自由落体时轿厢及其内部财产的最后一道保护屏障，因此，其遭受重物冲击时消耗冲击能量的能力及使用寿命是非常重要的。
欧标EN81-20/50要求电梯坑底缓冲器必须符合下列要求：1，当装有额定载重量的轿厢自由落体并以115％额定速度撞击轿厢缓冲器时，缓冲器作用期间的平均减速度不应大于1g；2，最大减速度不能大于6gn；3,2.5g以上的减速度时间不大于0.04s；4，轿厢反弹的速度不应大于1m/s；5，缓冲器动作后应无永久变形。其中要求2要求缓冲材料必须具有优异的吸收消耗冲击能量的能力。
从微观来讲，聚合物在压缩和回复过程中，分子链彼此之间会发生相对滑移，产生内摩擦，从而消耗部分能量，从材料粘弹性角度来讲，这种材料具有较好的粘性。专利CN03116062.X、CN201410755654.5、CN201510689843.1和 CN201510915236.2所制备的微孔弹性体由于所有原料均为直链结构，在分子链发生相对滑移时能量损耗少，待外力消失，所吸收的能量又会释放出来，因而其弹性较好而粘性较差；CN201611258451.0公开了一种采用物理方法在聚氨酯微孔弹性体原料配方中添加增稠凝胶的方法制备减震材料，在外力冲击时增稠凝胶能迅速变硬进行防护，并将剩余冲击能量反作用于施力物体，因此该材料不适用于电梯坑底缓冲器；CN201710214307.5公开了一种电梯减震用聚氨酯微孔弹性体的设计及安装结构，采用普通市售聚氨酯微孔弹性体和经过设计的连接件共同提供减震性能，该产品可吸收能量并在外力消失时将所吸收能量释放，而不具备消耗冲击能量的功能；CN201110369568.7公开了一种采用萘二异氰酸酯(NDI)和直链二元醇制备可用于电梯的微孔弹性体，采用NDI制备的微孔弹性体具有优异的动态疲劳性能，弹性好而粘性差，因此其适用于电梯马达底部这种高频次振动的工况，而不适用于电梯坑底缓冲器。
此外，电梯坑底缓冲器工作环境为阴暗潮湿的电梯井底部，现有缓冲器一般为聚酯或聚醚型聚氨酯微孔弹性体，聚酯型产品在耐潮气上存在缺陷，长时间工作易老化降解；聚醚型产品受到冲击后回弹不足，缓冲性能差。虽然二者目前都有产品在制备完成初期能够通过国家的安全认证，但是在使用过程中仍存在安全隐患。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的电梯坑底缓冲器所用材料缓冲能力、耐潮气能力不佳的缺陷，本发明提供了一种含支链的耗能微孔弹性体材料及其制备和应用，该材料耐水解、缓冲性能好、动态力学性能优异。
本发明的技术方案具体如下：
一种含支链的耗能微孔弹性体的制备方法，包括如下步骤：
(1)聚氨酯预聚体的制备：将聚四氢呋喃二元醇于120℃下抽真空2h，降温至80℃，加入二苯基甲烷二异氰酸酯，并于该温度下反应2-3h，得到NCO含量为12％-18％的聚氨酯预聚体；
(2)按照以下比例配制聚氨酯交联剂：
Figure GDA0001952454630000021
Figure GDA0001952454630000031
其中，所述梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇为市售产品或通过以下方法制备：在反应器中加入端羟基聚丁二烯二元醇，将苯乙烯、丙烯腈单体、链转移剂和引发剂混合均匀后，在1.5-2h内匀速滴加至所述反应器，然后转换为边滴加边出料模式至老化釜熟化1h，抽真空1.5h，降温出料制得梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇，结构如式(I)所示：
Figure GDA0001952454630000032
(3)使用低压发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂温度升至40-80℃，混匀，并浇注至模具中成型，然后脱模，进一步后熟化，最后得到含支链的耗能微孔弹性体材料。
上述步骤(1)和步骤(2)中，所述的聚四氢呋喃二元醇的分子量为 2000g/mol。
上述步骤(2)中，所述的端羟基聚丁二烯二元醇的分子量为1000g/mol。
上述步骤(2)中，所述的链转移剂为异丙醇，所述的引发剂为偶氮二异丁腈(AIBN)。
上述步骤(2)中，所述的梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇的分子量为1400-3000g/mol，其结构式中x取2-9的整数，y取4-18的整数。
上述步骤(2)中，所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、C225、 A300中的一种或多种；所述的扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇中的一种或多种；所述的匀泡剂为DC193。
上述步骤(3)中，所述的聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂按照异氰酸酯指数等于1的比例混匀。
上述步骤(3)中，所述脱模后的样品于100～120℃下后熟化13～16小时。
本发明还提供一种由上述制备方法得到的含支链的耗能微孔弹性体材料，所述的含支链的耗能微孔弹性体材料的密度优选为400-900kg/m3。
本发明还提供一种上述含支链的耗能微孔弹性体材料在制备电梯坑底缓冲器中的应用。
本发明中，制备了梳状端羟基聚丁二醇接枝共聚物二元醇，以进行含支链的耗能微孔弹性体材料的制备。其中，以聚丁二烯为基础材料的软段具有两大优异性能，其一为疏水性能，这使得产品在实际应用过程中具有较好的耐水解性能，尤其是在高湿应用环境下具有较长的使用寿命；此外，由于该合成物分子链上有大量的大位阻侧基和短分子链，由其制备得到的含支链的耗能微孔弹性体材料，在遭受重物冲击及回复的过程中，大位阻侧基和短分子链会极大地增加分子链相对滑移时产生的内摩擦力，进而吸收并消耗了大量的冲击能量，保护了轿厢内的财产安全。此外，由于聚氨酯交联剂的配方中针对性地采用了聚四氢呋喃二元醇，使得含支链的耗能微孔弹性体材料在耐水解性、缓冲性及动态力学性能方面较传统制品更为优异。
本发明的有益效果在于，通过本发明提供的方法制备得到的含支链的耗能微孔弹性体材料，耐水解、缓冲性能好、动态力学性能优异，将其用于电梯坑底缓冲器的制备时，可以改善电梯坑底缓冲器的缓冲能力和耐潮气能力。
需要特别指出的是，凡是采用本发明的方法来制备含支链的耗能微孔弹性体材料，只要其梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇的结构符合步骤(2)中的结构通式(I)，不论购买市售产品还是自身合成，均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做详细说明。
实施例1
在装有冷凝管、温度计和搅拌器的三口烧瓶中加入分子量1000g/mol的端羟基聚丁二烯二元醇1000g，将苯乙烯200g、丙烯腈单体200g、异丙醇20g和偶氮二异丁腈(AIBN)15g混合均匀加入恒压漏斗，在1.5h内匀速滴加该混合料液，至一定液位后开始边滴加边出料至老化釜熟化1h，抽真空1.5h，降温出料制得如式(I)所示的梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇，其中x取 2，y取4，该二元醇分子量为1400g/mol，羟值约为80mg KOH/g。
取1000g分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃二元醇，在120℃下抽真空2h，降温至80℃，并且和750g二苯基甲烷二异氰酸酯于80℃下反应2h，得到-NCO 含量为12％的聚氨酯预聚体。
用于配置聚氨酯交联剂的组分含上述梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇1200g，分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃600g，1,4-丁二醇200g，水7.8g， 10g DC193和4.81克二月桂酸二丁基锡。
采用双组份低压聚氨酯发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂温度升至 40℃，按照异氰酸酯指数等于1的比例将物料打入模具中成型，40min后脱模，再放入100℃烘箱中后熟化16h，最后得到密度为400kg/m3的含支链的耗能微孔弹性体材料。
按照本实例制备获得的制品在室温下再放置一周，然后进行性能测试。
实施例2
在装有冷凝管、温度计和搅拌器的三口烧瓶中加入分子量1000g/mol的端羟基聚丁二烯二元醇1000g，将苯乙烯400g、丙烯腈单体400g、异丙醇20g和偶氮二异丁腈(AIBN)15g混合均匀加入恒压漏斗，在1.8h内匀速滴加该混合料液，至一定液位后开始边滴加边出料至老化釜熟化1h，抽真空1.5h，降温出料制得如式(I)梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇，其中x取4，y取8，该二元醇分子量为1800g/mol，羟值约为62mg KOH/g。
取1000g分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃二元醇，在120℃下抽真空2h，降温至80℃，并且和1033g二苯基甲烷二异氰酸酯于80℃下反应2.5h，得到- NCO含量为15％的聚氨酯预聚体。
用于配置聚氨酯交联剂的组分含上述梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇1000g，分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃600g，乙二醇240g，水10.8g， 10g DC193和4.81克辛酸亚锡。
采用双组份低压聚氨酯发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂温度升至 40℃，按照异氰酸酯指数等于1的比例将物料打入模具中成型，40min后脱模，再放入110℃烘箱中后熟化15h，最后得到密度为700kg/m3的含支链的耗能微孔弹性体材料。
按照本实例制备获得的制品在室温下再放置一周，然后进行性能测试。
实施例3
在装有冷凝管、温度计和搅拌器的三口烧瓶中加入分子量1000g/mol的端羟基聚丁二烯二元醇1000g，将苯乙烯1000g、丙烯腈单体1000g、异丙醇30g 和偶氮二异丁腈(AIBN)20g混合均匀加入恒压漏斗，，在2h内匀速滴加该混合料液，至一定液位后开始边滴加边出料至老化釜熟化1h，抽真空1.5h，降温出料制得如式(I)所示的梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇，其中x 取9，y取18，该二元醇分子量为3000g/mol，羟值约为37mg KOH/g。
取1000g分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃二元醇，在120℃下抽真空2h，降温至80℃，并且和1423g二苯基甲烷二异氰酸酯于80℃下反应3h，得到-
NCO含量为18％的聚氨酯预聚体。
用于配置聚氨酯交联剂的组分含上述梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇1400g，分子量为2000g/mol的聚四氢呋喃500g，1,6-己二醇130g，水5.4g， 10g DC193以及1g A300和2.8g C225组成的复配催化剂。
采用双组份低压聚氨酯发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂温度升至 40℃，按照异氰酸酯指数等于1的比例将物料打入模具中成型，40min后脱模，再放入120℃烘箱中后熟化13h，最后得到密度为900kg/m3的含支链的耗能微孔弹性体材料。
按照本实例制备获得的制品在室温下放置一周进行测试，测试时分别将重载(2850kg)砝码和轻载(1000kg)砝码对同一样品进行3次(每个样品共6 次)自由落体冲击测试，砝码上固定有速度传感器、加速度传感器和位移传感器分别记录在此过程中相关数据变化，测试地点为上海交通大学国家电梯检测中心。测试方法如下：将砝码升高至样品正上方高度73mm(确保砝码冲击至样品正上方且与样品接触时的速度不低于1.15m/s)，释放砝码外力使其自由落体并对样品进行冲击，每次冲击完成后将砝码重新吊起，测试时间间隔为 10min，以确保样品在冲击测试完成后能回复至原高度。
表1为实施例1、2和3的3个样品按照上述方法最大载荷冲击(2850kg) 的测试结果。表2为实施例1、2和3的3个样品按照上述方法最小载荷冲击 (1000kg)的测试结果。测试结果表明，采用本发明提供的含支链的耗能微孔弹性体材料用于电梯坑底缓冲器时，平均减速度小于1gn、最大减速度小于6gn、 2.5gn以上的减速度时间小于40ms、轿厢反弹速度小于1.0m/s,缓冲力坐标值变化量小于5％，测试完成后样品无永久变形。所有数据均很好地满足了欧标 EN81-20/50对电梯坑底缓冲器提出的要求。目前未见采用同类技术的市售缓冲器能达到上述标准。
需要特别指出的是，上述实施例仅是为能清晰的说明所做的举例，而非对实施方式的限定。对于该领域的专业技术人员来说，在上述说明的基础上还可衍生出很多的变化。在此，无需对也无法对所有的变化进行穷举。但是，那些显然是由此引申出的变化仍处于本发明创造的保护范围之内。
表1
Figure GDA0001952454630000071
Figure GDA0001952454630000081
表2
Figure GDA0001952454630000082

Claims (8)

1.一种含支链的耗能微孔弹性体材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)聚氨酯预聚体的制备：将聚四氢呋喃二元醇于120℃下抽真空2h，降温至80℃，加入二苯基甲烷二异氰酸酯，并于该温度下反应2-3h，得到NCO含量为12％-18％的聚氨酯预聚体；
(2)按照以下比例配制聚氨酯交联剂：
Figure FDA0002957672570000011
其中，所述梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇为市售产品或通过以下方法制备：在反应器中加入端羟基聚丁二烯二元醇，将苯乙烯、丙烯腈单体、链转移剂和引发剂混合均匀后，在1.5-2h内匀速滴加至所述反应器，然后转换为边滴加边出料模式至老化釜熟化1h，抽真空1.5h，降温出料制得梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇，结构如下式所示：
Figure FDA0002957672570000012
所述的梳状端羟基聚丁二烯接枝共聚物二元醇的分子量为1400-3000g/mol，其结构式中x取2-9的整数，y取4-18的整数；
步骤(1)和步骤(2)中所述的聚四氢呋喃二元醇的分子量为2000g/mol；
步骤(2)中所述的端羟基聚丁二烯二元醇的分子量为1000g/mol；
(3)使用低压发泡机将聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂温度升至40-80℃，混匀，并浇注至模具中成型，然后脱模，进一步后熟化，最后得到含支链的耗能微孔弹性体材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述链转移剂为异丙醇，所述的引发剂为偶氮二异丁腈。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的催化剂为二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、C225、A300中的一种或多种；所述的扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇、1,6-己二醇中的一种或多种；所述的匀泡剂为DC193。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述的聚氨酯预聚体和聚氨酯交联剂按照异氰酸酯指数等于1的比例混匀。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述脱模后的样品于100～120℃下后熟化13～16小时。
6.一种根据权利要求1-5任一所述的制备方法得到的含支链的耗能微孔弹性体材料。
7.一种根据权利要求6所述的含支链的耗能微孔弹性体材料，其特征在于，所述材料的密度为400-900kg/m3。
8.一种根据权利要求1-5任一所述的制备方法得到的含支链的耗能微孔弹性体材料在电梯坑底缓冲器的应用。
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