一种聚天冬氨酸酯聚脲复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及特种防护材料技术领域,特别涉及一种聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法及包括所述聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法的制备得到的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料。
背景技术
防爆吸能复合材料是国防军工领域的一种特种防护材料,可广泛用于军事设施,重要地标性建筑,抗弹防爆可有效抵御爆炸物的冲击波和碎片,能有效应对恐怖袭击等突发事件。目前防爆聚脲材料多采用端氨基聚醚、胺扩链剂的全聚脲路线,多孔吸能材料多采用泡沫体、纤维织物或蜂窝材料,具有吸能、减振性能。中国专利CN104497823A、CN104231894A、中国专利申请号201810480630.1报道了防爆吸能聚脲弹性体涂层材料的制备方法。
聚天冬氨酸酯是由二烷基马来酸酯与脂肪族二胺利用伯胺上的活泼氢原子与马来酸酯的双键经Michael加成反应,将伯胺转变成仲胺,降低了氢原子与异氰酸根的反应活性,同时由于位阻效应,反应速度大大降低。通过选择不同的伯胺可以制得凝胶时间从几分钟到几小时不等的聚天冬氨酸脂,其反应式如下:
不同结构聚天冬氨酸脂的合成方法国内外已有专利报道:美国专利USP5561214,USP5623045,USP6014545,USP6482333;中国专利CN101024618A、CN101074280A、CN1952029A、CN104130390A。
聚天冬氨酸酯与多异氰酸酯反应生成的聚脲是一种低活性、慢反应、高性能的新型脂肪族聚脲,称为第三代聚脲材料。可以采用传统高温高压撞击式混合设备施工,也可使用普通喷涂设备或者小型便携式喷涂设备施工。喷涂于掩体、建筑等表面,可有效抵御爆炸物的冲击波和碎片,喷涂于特种车辆、防弹头盔、盾牌等表面,可增强防弹、防冲击效果。便携式低压混合喷涂设备更适合单兵掩体等野外狭小环境下进行军事设施喷涂作业,简单便捷。纤维织物与聚天冬氨酸酯聚脲复合的防爆吸能材料,具有高强度、高韧性、抗撕裂、吸能、减振、抗冲击,对爆炸冲击波具有衰减作用。
目前聚天冬氨酸酯聚脲多用于涂料领域,纤维织物复合的聚天冬氨酸酯聚脲弹性体用于抗弹防爆吸能复合材料尚未见有关资料报道。
发明内容
有鉴如此,有必要针对现有技术存在的缺陷,提供一种可防爆、吸能、减振、抗冲击的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
一种聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法,包括下述步骤:
制备聚天冬氨酸酯;
根据所述聚天冬氨酸酯制备聚天冬氨酸酯聚脲弹性体;
喷涂一层所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体,再在所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体表面喷涂纤维织物网格布得到所述聚天冬氨酸酯聚脲复合材料。
在一些较佳的实施例中,在制备聚天冬氨酸酯的步骤中,具体包括下述步骤:
在惰性气体环境下,将脂肪族二胺与烷基马来酸酯混合反应12~24小时,得到所述聚天冬氨酸酯,其中:
所述脂肪族二胺包括乙二胺、丁二胺、己二胺、甲基戊二胺、异佛尔酮二胺、4,4,-二氨基-二环己基甲烷(HMDA)、3,3,-二甲基-4,4,-二氨基二环己基甲烷、甲基环己二胺中的至少一种;
所述烷基马来酸酯包括马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丙酯、马来酸二丁酯、马来酸二苯酯中的至少一种。
在一些较佳的实施例中,在根据所述聚天冬氨酸酯基体树脂制备聚天冬氨酸酯聚脲弹性体的步骤中,具体包括下述步骤:
在惰性气体环境中,将聚四氢呋喃醚二醇搅拌加热至95℃~100℃,再在真空-0.1MPa下脱水1~1.5小时,解除真空后降温至40℃以下加入多异氰酸酯,并在80℃下反应2-4小时,过滤后得到异氰酸酯封端的半预聚体,记为A组份,所述聚四氢呋喃醚二醇与所述多异氰酸酯的质量比为100:(220~230);
按质量比为(50~60):(20~30):(10~20):(3~5):(2~5)将HMDA/DEM型聚天冬氨酸酯、IPDA/DBM型聚天冬氨酸酯、脂肪族二胺扩链剂、分子筛粉料浆及色浆于室温条件下搅拌过滤得到B组分;
按体积比为1:(0.98~1.05)将所述A组份及B组份混合得到所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体。
在一些较佳的实施例中,所述聚四氢呋喃醚二醇包括牌号为PTMG1000,相对分子质量为1000±50,羟值为107~118mgKOH/g或牌号为PTMG2000,相对分子质量为2000±50,羟值为54.7~57.5mgKOH/g或牌号为PTMG3000,相对分子质量为3000±50,羟值为36.2~38.7mgKOH/g。
在一些较佳的实施例中,所述多异氰酸酯包括4,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯,纯度≥99.6%,凝固点≥38℃,NCO质量分数33.5%;或2,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯与4,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物,纯度≥99.6%,凝固点≤15℃,NCO质量分数33.5%;或异佛尔酮二异氰酸酯,纯度≥99.5%,NCO质量分数37.5%~37.8%,凝固点-60℃;或4,4,-二环己基甲烷二异氰酸酯纯度≥99.5%,NCO质量分数31.8%~32.1%,凝固点10~15℃;或萘二异氰酸酯,纯度≥99%,NCO质量分数40.8±1.0%。
在一些较佳的实施例中,所述异氰酸酯封端的半预聚体的预聚物-NCO含量为20±0.5%,固体分≥99%,25℃的黏度为600~1000mPa·s。
在一些较佳的实施例中,所述脂肪族二胺扩链剂包括异佛尔酮二胺或4,4,-双仲丁氨基二环己基甲烷或3,3,-二甲基-4,4,-双仲丁氨基-二环己基甲烷中至少一种。
在一些较佳的实施例中,所述B组分中的固体组分≥99%,25℃的黏度为800~1200mPa·s。
在一些较佳的实施例中,所述A组分与B组分的-NCO/-NH摩尔比为1.05~1.10。
在一些较佳的实施例中,所述纤维织物网格布的材质为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维,所述纤维织物网格布的网眼尺寸为4mm×4mm~12mm×12mm。
另一方面本发明还提供了一种聚天冬氨酸酯聚脲复合材料,由上述任一项所述的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法制备而得。
本发明采用上述技术方案的优点是:
本发明提供的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法,首先制备聚天冬氨酸酯,根据所述聚天冬氨酸酯制备聚天冬氨酸酯聚脲弹性体,喷涂一层所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体,再在所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体表面喷涂纤维织物网格布得到所述聚天冬氨酸酯聚脲复合材料,本发明提供的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料,由防爆聚天冬氨酸酯聚脲弹性体与多孔吸能的纤维织物网格布复合而成,聚天冬氨酸酯聚脲弹性体具备抗爆、耐磨、抗冲击、耐疲劳,是一种吸能增强材料,而多孔纤维织物网格布轻质、吸能、减振、抗撕裂,是一种吸能增强材料,通过二者复合得到的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料能够防爆、吸能、减振、抗冲击等性能,可用于军事设施及防爆吸能防护装备中,能抵御爆炸产生的冲击波和碎片,符合军事装备的基本要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1,为本发明提供的一种聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法的步骤流程图,包括下述步骤:
步骤S110:制备聚天冬氨酸酯;
在一些较佳的实施例中,在制备聚天冬氨酸酯的步骤中,具体包括下述步骤:
在惰性气体环境下,将脂肪族二胺与烷基马来酸酯混合反应12~24小时,得到所述聚天冬氨酸酯,其中:
所述脂肪族二胺包括乙二胺、丁二胺、己二胺、甲基戊二胺、异佛尔酮二胺、4,4,-二氨基-二环己基甲烷(HMDA)、3,3,-二甲基-4,4,-二氨基二环己基甲烷、甲基环己二胺中的至少一种;
所述烷基马来酸酯包括马来酸二甲酯、马来酸二乙酯、马来酸二丙酯、马来酸二丁酯、马来酸二苯酯中的至少一种。
可以理解,本发明提供的聚天冬氨酸酯是由烷基马来酸酯与脂肪族二胺利用伯胺上的活泼氢原子与马来酸酯的双键经Michael加成反应制备。
具体地,在备有搅拌器、温度计、氮气管的烧瓶中,加入1mol脂肪族二胺,由滴液漏斗缓慢滴加2mol烷基马来酸酯,反应12~24小时,测定不饱和度,反应结束后,降温出料得到聚天冬氨酸酯。
可以理解,本发明上述实施例制备得到的聚天冬氨酸酯化合物,该化合物具有低活性、慢反应、高性能,用于喷涂防爆聚脲弹性体的基体树脂。
步骤S120:根据所述聚天冬氨酸酯制备聚天冬氨酸酯聚脲弹性体;
在一些较佳的实施例中,在根据所述聚天冬氨酸酯基体树脂制备聚天冬氨酸酯聚脲弹性体的步骤中,具体包括下述步骤:
步骤S121:在惰性气体环境中,将聚四氢呋喃醚二醇搅拌加热至95℃~100℃,再在真空-0.1MPa下脱水1~1.5小时,解除真空后降温至40℃以下加入多异氰酸酯,并在80℃下反应2-4小时,过滤后得到异氰酸酯封端的半预聚体,记为A组份,所述聚四氢呋喃醚二醇与所述多异氰酸酯的质量比为100:(220~230);
进一步地,所述聚四氢呋喃醚二醇包括牌号为PTMG1000,相对分子质量为1000±50,羟值为107~118mgKOH/g或牌号为PTMG2000,相对分子质量为2000±50,羟值为54.7~57.5mgKOH/g或牌号为PTMG3000,相对分子质量为3000±50,羟值为36.2~38.7mgKOH/g。
进一步地,所述多异氰酸酯包括4,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯,纯度≥99.6%,凝固点≥38℃,NCO质量分数33.5%;或2,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯与4,4,-二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物,纯度≥99.6%,凝固点≤15℃,NCO质量分数33.5%;或异佛尔酮二异氰酸酯,纯度≥99.5%,NCO质量分数37.5%~37.8%,凝固点-60℃;或4,4,-二环己基甲烷二异氰酸酯纯度≥99.5%,NCO质量分数31.8%~32.1%,凝固点10~15℃;或萘二异氰酸酯,纯度≥99%,NCO质量分数40.8±1.0%。
步骤S122:在按质量比为(50~60):(20~30):(10~20):(3~5):(2~5)将HMDA/DEM型聚天冬氨酸酯、IPDA/DBM型聚天冬氨酸酯、脂肪族二胺扩链剂、分子筛粉料浆及色浆于室温条件下搅拌过滤得到B组分;
具体地,按上述配方顺序称量各物质组分,依次投入高速分散机储料缸中,室温搅拌30分钟,200目滤网过滤包装,制得B组分,所述B组分中的固体组分≥99%,25℃的黏度为800~1200mPa·s。
进一步地,所述脂肪族二胺扩链剂包括异佛尔酮二胺或4,4,-双仲丁氨基二环己基甲烷或3,3,-二甲基-4,4,-双仲丁氨基-二环己基甲烷中至少一种。
进一步地,分子筛粉料浆就是用其中的聚天门冬氨酸酯与分子筛按照重量比1:1形成的预凝浆。
进一步地,上述色浆包括:红色浆、黄色浆、蓝色浆、绿色浆、白色浆或黑色浆中任意一种。
步骤S123:在按体积比为1:(0.98~1.05)将所述A组份及B组份混合得到所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体。
进一步地,所述A组分与B组分的-NCO/-NH摩尔比为1.05~1.10。
可以理解,本发明上述实施例制备得到的聚天冬氨酸酯聚脲弹性体具备抗爆、耐磨、抗冲击、耐疲劳,是一种吸能增强材料,具备良好的性能。
步骤S130:喷涂一层所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体,再在所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体表面喷涂纤维织物网格布得到所述聚天冬氨酸酯聚脲复合材料。
进一步地,所述纤维织物网格布的材质为玻璃纤维、碳纤维或芳纶纤维,所述纤维织物网格布的网眼尺寸为4mm×4mm~12mm×12mm。
具体地,喷涂一层所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体的喷涂工艺可采用传统高压聚脲喷涂设备GUSMER公司Reactor H-XP3喷涂机,也可采用小型低压便携式Sulzer MixcoatSpray喷涂设备进行喷涂;在所述聚天冬氨酸酯聚脲弹性体表面喷涂纤维织物网格布可采用一布两油或两布三油涂布工艺施工。
本发明提供的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料,由防爆聚天冬氨酸酯聚脲弹性体与多孔吸能的纤维织物网格布复合而成,聚天冬氨酸酯聚脲弹性体具备抗爆、耐磨、抗冲击、耐疲劳,是一种吸能增强材料,而多孔纤维织物网格布轻质、吸能、减振、抗撕裂,是一种吸能增强材料,通过二者复合得到的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料能够防爆、吸能、减振、抗冲击等性能,可用于军事设施及防爆吸能防护装备中,能抵御爆炸产生的冲击波和碎片,符合军事装备的基本要求。
以下结合实施例详细说明上述技术方案。
实施例1
HMDA/DEM型聚天冬氨酸酯的合成:
(1)在备有搅拌器、温度计、氮气管入口、滴液漏斗的1000ml四口烧瓶中,加入210克(1mol)4,4,-二氨基二环己基甲烷(HMDA),开启搅拌并通入氮气。
(2)由滴液漏斗缓慢滴加344克(2mol)马来酸二乙酯(DEM),保持温度40℃±℃,在2h内滴加完毕,油浴升温到90℃~100℃,反应12~16h。
(3)用硫醇-碘滴定分析法测定不饱和度,以确定化学反应程度,反应完成后,降温出料。
主要技术参数:
参数 |
指标 |
外观(目测) |
微黄透明液体 |
固含量,% |
≥95% |
NH当量,g/mol |
277 |
黏度,mPa·s/25℃ |
1100~1500 |
实施例2
IPDA/DBM型聚天冬氨酸酯的合成:
(1)在备有搅拌器、温度计、氮气管入口、滴液漏斗的1000ml四口烧瓶中,加入170克(1mol)异佛尔酮二胺(IPDA),开启搅拌并通入氮气。
(2)由滴液漏斗缓慢滴加456克(2mol)马来酸二丁酯(DBM),保持温度55℃~65℃,滴加时间30min~60min内滴加完毕,反应24h。
(3)用硫醇-碘滴定分析法测定不饱和度,以确定化学反应程度,反应完成后,降温出料。
主要技术参数:
参数 |
指标 |
外观(目测) |
微黄透明液体 |
固含量,% |
≥95% |
NH当量,g/mol |
313 |
黏度,mPa·s/25℃ |
800~1100 |
实施例3
聚天冬氨酸酯聚脲弹性体的制备:
防爆聚脲弹性体配方由A组分和B组分组成,A组份为聚四氢呋喃醚二醇PTMG-1000与4,4,-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)反应的预聚体,-NCO含量20%;B组份由聚天冬氨酸酯、4,4,-双仲丁氨基二环己基甲烷(Clearlink1000)、A3分子筛粉料浆和色浆组成。
A组分和B组分的组成及质量份数如下:
A组分 |
质量份 |
聚四氢呋喃醚二醇 |
100 |
多异氰酸酯 |
225 |
B组分 |
质量份 |
HMDA/DEM型聚天冬氨酸酯 |
56 |
IPDA/DBM型聚天冬氨酸酯 |
24 |
脂肪族二胺扩链剂 |
15 |
分子筛粉料浆 |
3 |
色浆 |
2 |
A组分所制备的预聚物-NCO含量为20%,固体分≥99%,黏度(25℃)为600~1000mPa·s;
B组分的固体分≥99%,黏度(25℃)为800~1200mPa·s。
A组分与B组分的体积比为1:0.98~1.02
A组分与B组分的а值(-NCO/-NH)为1.05~1.10
A组分与B组分的喷涂料温保持在65℃~70℃
A组分的制备:
将聚四氢呋喃醚二醇PTMG-1000投入到有氮气保护的反应釜中,在搅拌下加热至95℃~100℃,在真空-0.1MPa下脱水1~1.5小时,去掉真空,降至40℃以下加入4,4,-二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI),在80℃下反应2小时,反应结束后,测定NCO值后出料,降温出料过滤包装,制得异氰酸酯封端的半预聚体A组分。
B组分的制备:按配方顺序称量B组分,依次投入高速分散机储料缸中,室温搅拌30分钟,200目滤网过滤包装,制得B组分。
喷涂防爆聚脲弹性体的性能参数:
实施例4
防爆吸能复合材料的制备:
聚天冬氨酸酯聚脲的喷涂施工可采用传统聚脲喷涂设备GUSMER公司Reactor H-XP3喷涂机及GX-7喷枪喷涂系统,也可采用小型便携式Sulzer Mixcoat Spray喷涂设备进行施工作业。防爆聚脲A、B两组分由各自的抽料泵从料桶按照体积比1:1输送至主机由喷枪喷涂于基材上。先喷涂一道厚度为2mm的聚天冬氨酸酯聚脲涂层,在时间间隔一小时内铺设一层碳纤维网格布,网格布的网眼尺寸4×4mm,然后喷涂一道聚天冬氨酸酯聚脲涂层,喷涂厚度2mm,
铺设一层碳纤维网格布,再喷涂一道聚天冬氨酸酯聚脲涂层,喷涂厚度2mm,即采用两布三油涂布工艺施工。
(1)Reactor H-XP-3机喷涂工艺参数:
最大流体工作压力 |
24.1MPa |
最高流体温度 |
88℃ |
最大输出量 |
10.6L/min |
工作电压 |
380V |
加热功率 |
20400W |
(2)Sulzer Mixcoat Spray便携式喷涂系统由便携式气动喷枪、灌漆筒和高流量混合喷嘴组成。主机重量约2Kg,配料混合一步完成,轻便易携带,操作简单便捷。
当然本发明的聚天冬氨酸酯聚脲复合材料的制备方法还可具有多种变换及改型,并不局限于上述实施方式的具体结构。总之,本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。