CN110627989A - 聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，属于聚氨酯弹性体技术领域。本发明包括以下步骤：(1)取PO和EO混合共聚的聚醚多元醇，其中EO摩尔占比为75％‑100％，该范围内，保证了聚醚多元醇具有较好的亲水性；(2)对聚醚多元醇进行预处理后，加入异氰酸酯反应，制得异氰酸酯基封端的预聚体；(3)取一种或者多种预聚体，加入固化剂以及催化剂，搅拌；(4)将步骤(3)制得的混合物倒入平板模具中并放置在硫化机中固化，制得所述的吸水膨胀聚氨酯弹性体。本发明工艺简单，操作便捷，得到的弹性体不仅具有优异的吸水性，同时还具有优异的力学性能。

Description

聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，属于聚氨酯弹性体技术领域。
背景技术
聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体，是近年来国内出现的一种工程领域使用的具有吸水膨胀和弹性密封双重功能的新型功能高分子防水材料。分子结构中含有亲水基团的聚醚多元醇可快速吸水、保水，因此以其制备的聚氨酯也具有较好的吸水膨胀性能，再加上聚氨酯材料本身的优良高弹性，吸水膨胀聚氨酯弹性体可被广泛应用于隧道、地铁、房屋、水坝、自来水输送管道等防渗水、漏水工程中。
目前针对于聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的报道及专利较多，制备思路基本类似，即先将配比好的聚醚多元醇真空脱水处理，随后加入异氰酸酯制备预聚体，接下来再向预聚体中加入固化剂(扩链剂)以及适量催化剂，物料混合均匀后浇筑固化即得聚氨酯弹性体。
相关科研人员对材料的止水机理以及聚醚多元醇配比、聚醚多元醇相对分子质量、异氰酸酯种类、扩链剂种类、用量等因素对吸水膨胀聚氨酯弹性体的力学性能及吸水膨胀特性的影响进行了深入研究，如：吸水自膨胀聚氨酯弹性体的合成与制备[J].新型建筑材料,2003(12):47-48；聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的合成[J].弹性体,2012,22:37-39；HMD型吸水膨胀聚氨酯弹性体的研制[J].化工新型材料,2017,45:236-238。
研究表明，聚醚多元醇预聚体中PO和EO聚合链节的占比对材料的吸水膨胀率以及力学性能具有重要影响。EO聚合链节与水分子可形成较强的氢键作用，具有较好的亲水性，但其分子链较为柔顺。相反PO聚合链节中含有侧甲基，它的位阻及疏水效应阻碍了分子链中醚键与水分子的相互作用，但可赋予材料一定的强度和弹性。因此，关于聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体制备的报道多是同时使用聚丙二醇醚(PPG)和聚乙二醇醚(PEG)这两类聚醚多元醇。CN103113549A报道了一种聚醚型聚氨酯预聚体遇水膨胀橡胶及其制备方法，该专利中主要使用水溶性聚醚二醇，同时为了提高制品的力学性能，需要添加塑化剂、炭黑或者二氧化硅等填料，但存在着由于填料的添加导致吸水性下降的问题。
CN200910021607公开了一种聚氨酯遇水膨胀弹性体密封制品材料及制备方法，其只是公开使用亲水性聚醚型聚合物多元醇，是由环氧丙烷、环氧乙烷、四氢呋喃、丙三醇、三羥甲基丙烷中的一种以上成分聚合形成的聚合物多元醇，包括实例中并未说明使用的多元醇中各组分的比例，很显然，各组分比例对性能的影响非常大。另外，所述专利中提及采用丙三醇、三羥甲基丙烷用于调节聚醚组分的官能度，这两种原料均为三官度小分子醇，与高分子量聚醚多元醇直接搭配使用可能会对材料性能有不良的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，工艺简单，操作便捷，得到的弹性体不仅具有优异的吸水性，同时还具有优异的力学性能。
本发明所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，包括以下步骤：
(1)取PO和EO混合共聚的聚醚多元醇，其中EO摩尔占比为75％-100％；该范围内，保证了聚醚多元醇具有较好的亲水性；
(2)对聚醚多元醇进行预处理后，加入异氰酸酯反应，制得异氰酸酯基封端的预聚体；
(3)取一种或者多种预聚体，加入固化剂以及催化剂，搅拌；
(4)将步骤(3)制得的混合物倒入平板模具中并放置在硫化机中固化，制得所述的吸水膨胀聚氨酯弹性体。
所述聚醚多元醇的平均官能度为2～3，分子量为2000～5000。
当EO摩尔占比取到100％时，在没有PO的情况下，制品的吸水性能及伸长率会很好，但拉伸强度会比较低，这种情况下可以把小分子固化剂搭配多使用摩卡来调节，得到的材料性能也会很好。
步骤(2)中所述的预处理为对聚醚多元醇进行脱水处理，该操作可以避免制品中气泡的产生，并赋予制品较好的力学性能。
所述异氰酸酯为MDI-50或TDI-80。
所述固化剂为莫卡(MOCA)、乙二醇、二乙二醇或1,4丁二醇。
所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
所述预聚体、固化剂以及催化剂三者的质量比为80～97:3～20:0.02～0.2，在该比值范围内，可平衡调整制品的固化速度、吸水性及力学性能。
步骤(4)中固化时，在100-110℃下，反应2～3小时。
固化样品裁样后放置于去离子水中室温浸泡，24小时后进行重量膨胀率测试，样品的重量膨胀率按下公式计算：
M＝(m2－m1)/m1*100％
式中M为吸水率，m1、m2分别为试样浸泡前后的质量。
CN200910021607中提及采用丙三醇、三羥甲基丙烷用于调节聚醚组分的官能度，这两种原料均为三官度小分子醇，与高分子量聚醚多元醇直接搭配使用可能会对材料性能有不良的影响。而本发明使用三官和两官的高分子量聚醚多元醇来搭配制备预聚体，后面固化时还可通过小分子固化剂的选择来调节材料的性能。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明使用PO和EO共聚类的三官及两官聚醚多元醇(或者两种聚醚多元醇的混合)制备吸水膨胀聚氨酯弹性体，避免了需要同时制备PPG和PEG类聚醚多元醇预聚体的操作；
(2)高分子量PEG类原料通常为固态，本发明使用的PO和EO共聚类的聚醚多元醇为液态，既保证了产品的亲水性，又避免使用前的熔化操作；
(3)本发明通过选择不同官能度、不同PO、EO比例的聚醚多元醇以及固化剂来调节制品的吸水及力学性能，不需要使用塑化剂或者固体填料来优化材料的力学性能，减少了原料种类的同时，避免了可能由于填料的添加导致吸水性下降的问题。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但其并不限制本发明的实施。
以下所用原料均为市售。
实施例1
取适量聚醚多元醇(官能度3，分子量5000，PO/EO＝25％/75％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至70℃以下,加入适量异氰酸酯TDI-80，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量5.32％。取预聚体60克，丙二醇2.35克，二月桂酸二丁基锡0.06克，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例2
取适量聚醚多元醇(官能度3，分子量5000，PO/EO＝25％/75％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至70℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量4.7％。取预聚体60克，丙二醇2克，二月桂酸二丁基锡0.06克，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应3小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例3
取适量聚醚多元醇(官能度2，分子量2000，PO/EO＝10％/90％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至70℃以下,加入适量异氰酸酯TDI-80，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量3.6％。取预聚体60克，熔化的莫卡(MOCA)13克，二月桂酸二丁基锡0.04克，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例4
取适量聚醚多元醇(官能度2，分子量4000，PO/EO＝0％/100％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至60℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量4.15％。取预聚体60克，熔化的莫卡(MOCA)7.8克，辛酸亚锡0.05克，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例5
取适量聚醚多元醇(官能度2，分子量4000，PO/EO＝0％/100％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至60℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量4.15％。取预聚体60克，1,4丁二醇2.5克，辛酸亚锡0.013克，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例6
取适量聚醚多元醇1(官能度2，分子量2000，PO/EO＝10％/90％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至60℃以下,加入适量异氰酸酯TDI-80，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体1，实测预聚体1的NCO含量3.6％。另外取适量聚醚多元醇2(官能度3，分子量5000，PO/EO＝25％/75％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至70℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体2，实测预聚体2的NCO含量4.7％。取20克预聚体1，60克预聚体2，1.21克乙二醇、7.87克熔化的莫卡(MOCA)以及0.01克二月桂酸二丁基锡，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
实施例7
取适量聚醚多元醇1(官能度2，分子量4000，PO/EO＝0％/100％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至60℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体，实测预聚体NCO含量4.15％。另外取适量聚醚多元醇2(官能度3，分子量5000，PO/EO＝25％/75％)加热至100℃真空脱水两个小时，随后降温至70℃以下,加入适量异氰酸酯MDI-50，升温至80℃反应两个小时，得到预聚体2，实测预聚体2的NCO含量4.7％。取50克预聚体1，20克预聚体2，9.65克熔化的莫卡(MOCA)以及0.15克二月桂酸二丁基锡，混合搅拌后倒入平板模具中，并将模具置于硫化机中加热至100℃，反应2小时。反应结束后将固化膜取出测试。
材料拉伸应力应变性能的测定标准参考GB/T 528-2009。
表1

Claims (8)

1.一种聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)取PO和EO混合共聚的聚醚多元醇，其中EO摩尔占比为75％-100％；
(2)对聚醚多元醇进行预处理后，加入异氰酸酯反应，制得异氰酸酯基封端的预聚体；
(3)取一种或者多种预聚体，加入固化剂以及催化剂，搅拌；
(4)将步骤(3)制得的混合物倒入平板模具中并放置在硫化机中固化，制得所述的吸水膨胀聚氨酯弹性体。
2.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：聚醚多元醇的平均官能度为2～3，分子量为2000～5000。
3.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的预处理为对聚醚多元醇进行脱水处理。
4.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：异氰酸酯为MDI-50或TDI-80。
5.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：固化剂为莫卡、乙二醇、二乙二醇或1,4丁二醇。
6.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
7.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：预聚体、固化剂以及催化剂三者的质量比为80～97:3～20:0.02～0.2。
8.根据权利要求1所述的聚醚型吸水膨胀聚氨酯弹性体的制备方法，其特征在于：步骤(4)中固化时，在100-110℃下，反应2～3小时。
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