CN112300677B - 一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可较好地黏附于泡沫铝表面的抗爆耐冲击聚脲涂料及其制备方法，属于高分子合成和爆炸冲击动力学交叉领域。该涂料由异氰酸酯半预聚体A组分和端氨基聚醚、胺类扩链剂以及助剂组成的B组分经高温高压碰撞雾化混合工艺喷涂而成。所述A组分由47~53质量份异氰酸酯、45~50质量份聚醚多元醇和3~5质量份活性稀释剂经加热、真空脱水等工艺反应而成；所述B组分由58~66质量份端氨基聚醚、30~38质量份液态胺类扩链剂、3~5质量份助剂经搅拌混合、真空脱水而成。本发明合成的聚脲涂料具有强度高、韧性好、抗冲击性能佳外，同时与泡沫铝材料有较强的界面粘附力，可涂覆于泡沫铝表面形成复合防护装甲结构，在轻量化武器制备以及军民两用工程防护设施上有广阔的应用空间。

Description

一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料及其制备方法
技术领域
本发明属于功能性涂层材料制备领域，特别涉及一种应用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料及其制备方法。
背景技术
由于自然灾害或者战争等原因，人们生活中的常见结构体经常会受到爆炸冲击荷载的作用，如建筑结构、汽车结构、飞机结构等。这些荷载作用时间都非常短，通常在以毫秒、微秒，甚至纳秒计的短时间内引起结构响应的快速变化，从而给结构体造成巨大的破坏。结构的突然破坏会引起大量人员伤亡和财产损失，提高结构在爆炸冲击下的防护性能已经成为防灾减灾领域研究的热点和难点。当今社会中，大多数的防护结构主要采用混凝土类和金属类材料，这些材料具有一定的防护性能，但也有一定的不足，例如：这些材料组成的结构体在爆炸冲击荷载作用下倒塌失稳的响应时间短，同时产生的碎片和冲击波会造成巨大的次生灾害等。因此，亟需研制在爆炸冲击荷载作用下具备强防护能力和无附带伤害的新型防护结构材料。
传统泡沫铝材料具有轻质高强、吸能效率高、抗破坏力强和电磁屏蔽性能优异等特点，广泛用于受爆炸冲击威胁的人防工程结构、装甲结构的防护，也是武器装备和航天器设计的首选防护材料。然而，泡沫铝材料在爆炸冲击荷载作用下容易变脆、并产生大量碎片飞溅，造成严重的二次伤害，间接阻碍了其进一步推广应用。随着材料制备技术的发展，近来在防灾减灾领域出现了一种新兴的聚合物材料-聚脲弹性体，其造价低廉，质量轻，且有良好的耐磨、耐冲击、耐腐蚀性，良好的阻燃能力和防水能力。同时，聚脲还具有涂覆方便，快速固化的特性，并且对包括金属在内的底材有很强的粘附力，能够保证长久涂覆使用不脱落。这些优良的特性使得聚脲涂层材料可以与传统泡沫铝材料相结合，以降低爆炸冲击荷载作用下结构碎片和冲击波造成的危害，进一步拓宽泡沫铝材料的应用前景。
通过上述应用需求可以看出，研发应用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料既可以弥补泡沫铝材料在爆炸冲击防护领域应用的不足，又可以发挥聚脲材料的固有优势。由于聚脲分子链具有从橡胶态到玻璃态可调控性，现有聚脲涂层材料软硬差异较大且以防水功能为主，吸能效果差。同时，由于泡沫铝胞孔的存在，导致现有聚脲涂层材料与泡沫铝的界面结合力较弱，粘附力较差，亟需研发专用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料。
发明内容
针对应用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料产品的匮乏和其广阔的应用前景，本发明公开了一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料及其制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，是由A组分异氰酸酯半预聚体和B组分端氨基聚醚、胺类扩链剂以及功能性助剂组成的固化剂经高温高压碰撞雾化混合工艺喷涂成型的双组份涂层材料。其中所述A组分由47~53质量份异氰酸酯、45~50质量份聚醚多元醇和3~5质量份活性稀释剂经加热、真空脱水等工艺反应而成；所述B组分由58~66质量份端氨基聚醚、30~38质量份液态胺类扩链剂、3~5质量份功能助剂经搅拌混合、真空脱水而成。
进一步的验证优选，所述A组分异氰酸酯半预聚体中的-NCO含量为13~15.5%，所述异氰酸酯半预聚体主要由过量的芳香族二异氰酸酯、聚醚多元醇和活性稀释剂反应而得。
进一步的验证优选，所述芳香族二异氰酸酯为二甲基二苯基甲烷二异氰酸酯、奈二异氰酸酯、二甲基联苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种组合。
进一步的验证优选，所述聚醚多元醇为聚氧化丙烯二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇中的一种或几种组合；所述活性稀释剂为亚烷基碳酸酯。
进一步的验证优选，所述B组分中端氨基聚醚为Huntsman公司Jeffamine系列中的D-2000和T-5000组合，两者建议用量比为6~12:1。
进一步的验证优选，所述B组分中液态胺类扩链剂为3,5-二乙基甲苯二胺、4,4，-双仲丁氨基二苯基甲烷组合，两者建议用量比为2.5~0.8:1。
进一步的验证优选，所述B组分中功能性助剂为流平剂、消泡剂、分散剂、偶联剂和抗氧化剂。
进一步的验证优选，所述流平剂为BYK化学公司的BYK-354，优选0.8~1.2质量份。
进一步的验证优选，所述消泡剂为高效有机硅消泡剂BYK-066N，优选0.5~0.8质量份。
进一步的验证优选，所述润湿分散剂为BYK-164，优选0.8~1.2质量份。
进一步的验证优选，所述偶联剂为γ-氨丙基三乙氧基硅烷KH-550，优选0.5~0.8质量份。
进一步的验证优选，所述抗氧化剂为3, 5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸异辛酯，优选0.5~0.8质量份。
进一步的验证优选，所述聚脲涂层材料的异氰酸酯指数为1.03~1.05，A组分和B组分在室温下粘度保持在400mPa·s以下，按体积比1:1混合喷涂而成。
本发明还提供了一种应用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料制备方法，包含如下关键步骤：
(1) 将聚醚多元醇添加到反应釜中，在95~120°C温度下减压脱水1.5~2h，直至聚醚多元醇含水率≤0.05%，加入活性稀释剂继续减压脱水0.5h，随后降温至60°C添加异氰酸酯，升温至80°C反应保持2~3h，反应完成后降温至60°C以下出料，检测半预聚体中-NCO含量，达到控制指标后存放于充氮保护的密闭容器中，即得异氰酸酯半预聚体A组分；
(2) 将液态胺类扩链剂、端氨基聚醚和功能性助剂添加到密闭反应釜中，均匀搅拌1~2h，在90~100°C温度下减压脱水1.5~2h，利用卡尔·费休法测定含水率≤0.05%，过滤封装即得固化剂B组分；
(3) 使用时将制备的A组分和B组分原料装入高温高压喷涂机，温度设定为60~70°C，喷涂流量设定为2000~2300kg/min，按体积比1:1喷涂于泡沫铝板材表面，即可制得用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层。
本发明所述的用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料优势在于：通过调控聚脲涂料的软硬段含量配比突破了传统聚脲涂料喷涂于泡沫铝表面后，易渗入胞孔内部造成喷涂面起泡现象，提高了聚脲涂层和泡沫铝的界面结合力。同时，本发明合成的聚脲涂料具有强度高、韧性好、抗冲击性能佳等特点，可涂覆于泡沫铝表面形成复合防护装甲结构，在轻量化武器制备以及军民两用工程防护设施上有重要的应用价值。
具体实施方式
下面将结合具体实施样例对本发明的技术方案进行阐述，以便较好的理解应用本发明。
实施例1
本实施例提供了一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料，所述制备原料和配比为：A组分按质量百分比计，万华异氰酸酯MDI-50 51份，海安石化聚氧化丙烯二醇PPG-2000 46份，齐鲁石化亚烷基碳酸酯3份；B组分按质量百分比计，端氨基聚醚Jeffamine D-2000 60份，端氨基聚醚Jeffamine T-5000 5份，万华3,5-二乙基甲苯二胺E100 22份，万华4,4，-双仲丁氨基二苯基甲烷W6200 9份，流平剂BYK-354 1份，消泡剂BYK-066N 0.8份，润湿分散剂BYK-164 1份，道康宁偶联剂KH-550 0.7份，巴斯夫抗氧化剂1135 0.5份。
本实施例所用聚脲涂层材料的制备方法如下：
(1) 将聚氧化丙烯二醇PPG-2000按质量份数添加到反应釜中，在110°C温度下减压脱水2h，直至含水率≤0.05%，加入亚烷基碳酸酯继续减压脱水0.5h，随后降温至60°C添加异氰酸酯，升温至80°C反应保持2~3h，反应完成后降温至50°C出料，检测半预聚体中-NCO含量达到15%时，即得异氰酸酯半预聚体A组分存放于充氮保护的密闭容器中；
(2) 将胺类扩链剂E100和W6200、端氨基聚醚D-2000和T-5000、功能性助剂按质量份数依次添加到密闭反应釜中，均匀搅拌1.5h，在100°C温度下减压脱水2h，利用卡尔·费休法测定含水率≤0.05%，过滤封装即得固化剂B组分；
(3) 随后将制备的A组分和B组分原料装入JHPK-DD3型高温高压喷涂机料筒，温度设定为65°C，喷涂流量设定为2200kg/min，按体积比1:1喷涂于泡沫铝板材表面，制得用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料。
实施例2
本实施例提供了一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料，所述制备原料和配比为：A组分按质量百分比计，万华异氰酸酯MDI-50 50份，三菱聚四氢呋喃二醇PTMG-100045份，齐鲁石化亚烷基碳酸酯5份；B组分按质量百分比计，端氨基聚醚Jeffamine D-200058份，端氨基聚醚Jeffamine T-5000 5份，万华3,5-二乙基甲苯二胺E100 20份，万华4,4，-双仲丁氨基二苯基甲烷W6200 13份，流平剂BYK-354 1份，消泡剂BYK-066N 0.8份，润湿分散剂BYK-164 1份，道康宁偶联剂KH-550 0.7份，巴斯夫抗氧化剂1135 0.5份。
本实施例所用聚脲涂层材料的制备方法如下：
(1) 将聚四氢呋喃二醇PTMG-1000按质量份数添加到反应釜中，在110°C温度下减压脱水2h，直至含水率≤0.05%，加入亚烷基碳酸酯继续减压脱水0.5h，随后降温至60°C添加异氰酸酯，升温至80°C反应保持2~3h，反应完成后降温至50°C出料，检测半预聚体中-NCO含量达到15%时，即得异氰酸酯半预聚体A组分存放于充氮保护的密闭容器中；
(2) 将胺类扩链剂E100和W6200、端氨基聚醚D-2000和T-5000、功能性助剂按质量份数依次添加到密闭反应釜中，均匀搅拌1.5h，在100°C温度下减压脱水2h，利用卡尔·费休法测定含水率≤0.05%，过滤封装即得固化剂B组分；
(3) 随后将制备的A组分和B组分原料装入JHPK-DD3型高温高压喷涂机料筒，温度设定为65°C，喷涂流量设定为2200kg/min，按体积比1:1喷涂于泡沫铝板材表面，制得用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料。
实施例3
本实施例提供了一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料，所述制备原料和配比为：A组分按质量百分比计，万华异氰酸酯MDI-50 47份，拜耳聚醚多元醇Acclaim 420050份，齐鲁石化亚烷基碳酸酯3份；B组分按质量百分比计，端氨基聚醚Jeffamine D-200053份，端氨基聚醚Jeffamine T-5000 6份，万华3,5-二乙基甲苯二胺E100 17份，万华4,4，-双仲丁氨基二苯基甲烷W6200 20份，流平剂BYK-354 1份，消泡剂BYK-066N 0.8份，润湿分散剂BYK-164 1份，道康宁偶联剂KH-550 0.7份，巴斯夫抗氧化剂1135 0.5份。
本实施例所用聚脲涂层材料的制备方法如下：
(1) 将聚醚多元醇Acclaim 4200按质量份数添加到反应釜中，在110°C温度下减压脱水2h，直至含水率≤0.05%，加入亚烷基碳酸酯继续减压脱水0.5h，随后降温至60°C添加异氰酸酯，升温至80°C反应保持2~3h，反应完成后降温至50°C出料，检测半预聚体中-NCO含量达到15%时，即得异氰酸酯半预聚体A组分存放于充氮保护的密闭容器中；
(2) 将胺类扩链剂E100和W6200、端氨基聚醚D-2000和T-5000、功能性助剂按质量份数依次添加到密闭反应釜中，均匀搅拌1.5h，在100°C温度下减压脱水2h，利用卡尔·费休法测定含水率≤0.05%，过滤封装即得固化剂B组分；
(3) 随后将制备的A组分和B组分原料装入JHPK-DD3型高温高压喷涂机料筒，温度设定为65°C，喷涂流量设定为2200kg/min，按体积比1:1喷涂于泡沫铝板材表面，制得用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料。
所述实施例中用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层材料主要性能指标如下表所示：
Figure 337597DEST_PATH_IMAGE001
表格中性能指标表明，本发明合成的聚脲涂层材料不但具有优异的力学性能，而且与泡沫铝有较好的界面附着力，抗爆耐冲击性能佳，达到了本发明的预期目的。
本专利所述的上述实施例仅是为了说明本发明所阐述的实施方式，但并不局限于以上所描述的实施例内容。对于本领域内的技术工作人员而言，在本发明技术构思方案和原理框架内实施的简单替换、修改和变型等，均应满足本发明所描述的权利要求保护范围。
本专利所述的上述实施例仅是为了说明本发明所阐述的实施方式，但并不局限于以上所描述的实施例内容。对于本领域内的技术工作人员而言，在本发明技术构思方案和原理框架内实施的简单替换、修改和变型等，均应满足本发明所描述的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，原料包含A组分和B组分两部分，所述A组分为多异氰酸酯、聚醚多元醇和活性稀释剂反应生成的异氰酸酯半预聚体，其中异氰酸酯占比47~53质量份、聚醚多元醇占比45~50质量份、活性稀释剂占比3~5质量份；所述B组分为端氨基聚醚、芳香族胺类扩链剂以及功能性助剂组成的活泼氢固化剂，其中端氨基聚醚占比58~66质量份、胺类扩链剂占比30~38质量份、功能性助剂占比3~5质量份；
所述A组分制备方法为：将聚醚多元醇添加到反应釜中，在95~120℃温度下减压脱水1.5~2h，直至聚醚多元醇含水率≤0.05%，加入活性稀释剂继续减压脱水0.5h，随后降温至60℃添加异氰酸酯，升温至80℃反应保持2~3h，反应完成后降温至60℃以下出料，检测半预聚体中-NCO含量，达到控制指标后存放于充氮保护的密闭容器中；
所述B组分制备方法为：依次将芳香族胺类扩链剂、端氨基聚醚和功能性助剂添加到密闭反应釜中，均匀搅拌1~2h，在90~100℃温度下减压脱水1.5~2h，利用卡尔·费休法测定含水率≤0.05%，过滤封装；
其中，功能性助剂为流平剂、消泡剂、分散剂、偶联剂和抗氧化剂；所述流平剂选自BYK化学公司的BYK-354，在组分B中的质量占比为0.8~1.2%；消泡剂选自高效有机硅消泡剂BYK-066N，在组分B中的质量占比0.5~0.8%；润湿分散剂选自BYK-164，在组分B中的质量占比0.8~1.2%；偶联剂选自γ-氨丙基三乙氧基硅烷KH-550，在组分B中的质量占比0.5~0.8%；抗氧化剂选自3,5-二叔丁基-4-羟基苯丙酸异辛酯，在组分B中的质量占比0.5~0.8%。
2.根据权利要求1所述用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，A组分异氰酸酯半预聚体中的-NCO含量为13~15.5%；所述A组分中异氰酸酯选自3,3'-二甲基-4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯、萘二异氰酸酯、二甲基联苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯中的一种或几种组合。
3.根据权利要求1所述用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，所述A组分中聚醚多元醇选自聚氧化丙烯二醇、聚氧化丙烯三醇、聚四氢呋喃二醇中的一类或几类组合；所述A组分中活性稀释剂选自亚烷基碳酸酯。
4.根据权利要求1所述用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，所述B组分中端氨基聚醚选自Huntsman公司Jeffamine系列中的D-2000和T-5000组合，选用量比为6~12:1；所述B组分中胺类扩链剂选自3,5-二乙基甲苯二胺、4,4'-双仲丁氨基二苯基甲烷组合，选用量比为2.5~0.8:1。
5.根据权利要求1所述用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，合成聚脲涂料的异氰酸酯指数选为1.03~1.05，A组分和B组分在室温下粘度控制在400mPa·s以下，按体积比1:1混合喷涂而成。
6.根据权利要求1-5任一项所述用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂料，其特征在于，所述聚脲涂料的使用方法为：将制备的A组分和B组分原料装入高温高压喷涂机，温度设定为60~70℃，喷涂流量设定为2000~2300kg/min，按体积比1:1喷涂于泡沫铝板材表面，即可制得用于泡沫铝的抗爆耐冲击聚脲涂层。
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