CN114437310A - 改性聚氨酯组合物及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改性聚氨酯组合物及其应用,属于聚氨酯复合材料技术领域。本发明解决的技术问题是提供一种改性聚氨酯组合物。本发明改性聚氨酯组合物,包含以下组分:a)异氰酸酯组分:包含一种或多种异氰酸酯;b)羟基组分:包含多元醇和式Ⅰ化合物;c)助剂:包含催化剂和自由基引发剂。本发明改性聚氨酯组合物,采用特定的羟基组分,具有水分敏感度低、常温固化效果好,Tg建立快,力学性能好,生产效率高等突出优点,适用于各种复合材料成型工艺。
Figure DDA0003425962230000011

Description

改性聚氨酯组合物及其应用
技术领域
本发明涉及改性聚氨酯组合物及其应用,属于聚氨酯复合材料技术领域。
背景技术
近年来,聚氨酯复合材料逐步用于制备风电叶片领域。与传统环氧树脂制作的风电叶片相比,聚氨酯复合材料制造的风电叶片具有成本较低、物理性能更好等优点。但是,现有的聚氨酯体系,由于存在初期反应快,凝胶时间短,后固化时间长等突出缺点,无法很好的用于复合材料的制备,需要进行改进。
专利CN106221191A公开了一种用于风机叶片的碳纤维/聚氨酯复合材料的合成方法,由预先脱水的聚醚多元醇和二异氰酸酯反应合成端异氰酸酯基的预聚体,然后再加入稀释剂,搅拌均匀,得到B组分;由小分子扩链剂,催化剂和助剂混合均匀,得到A组分;将B组分和A组分混合均匀、通过手糊模压工艺或真空导入工艺,使每层碳纤维均能很好的浸润,然后通过模压固化成型,脱模,后硫化得产品。该方法主要通过预聚反应的形式制备得到聚氨酯,其方法较为复杂,且混合粘度大,凝胶时间短,后固化温度高,常温Tg建立慢。
专利CN111051377A公开了一种包含聚氨酯-聚丙烯酸酯树脂基质的复合材料,主要选用甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)等改性聚氨酯,从而使得该聚氨酯-聚丙烯酸酯反应性组合物适用于真空灌注方法,制备得到的复合材料具有快速固化、低放热和优异的机械性能。但是,该配方中异氰酸酯用量占比高,且对湿度敏感,制备缺陷多,且该配方依旧存在后固化需要的时间长,Tg建立慢,生产效率低等缺陷。
可见,现有常规聚氨酯反应速率太快,粘度增长快,无法适用于真空导入工艺。采用丙烯酸羟丙酯类预聚改性得到组合物又存在对湿度敏感,制品缺陷多,后固化时间长的缺陷。
发明内容
针对以上缺陷,本发明解决的技术问题是提供一种改性聚氨酯组合物。
本发明改性聚氨酯组合物,包含以下组分:
a)异氰酸酯组分:包含一种或多种异氰酸酯;
b)羟基组分:包含多元醇和式Ⅰ化合物,
Figure BDA0003425962210000021
R1、R2、R3和R4分别独立选自1~4个碳原子的亚烷基;R5、R6、R7分别独立选自氢或甲基;
c)助剂:包含催化剂和自由基引发剂。
在本发明的一个实施方式中,所述多元醇为聚醚多元醇、聚酯多元醇中的至少一种。
在本发明的一个实施方式中,式Ⅰ化合物为季戊四醇三丙烯酸酯。
在本发明的一个实施方式中,所述多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为0.5~4:1。
在一个具体实施例中,多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为1:1。
在本发明的一个实施方式中,羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:30~100。
在一个具体实施例中,羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:52。
在本发明的实施方式中,还包括促进剂、消泡剂中的至少一种。
本发明还提供本发明所述改性聚氨酯组合物在制备聚氨酯复合材料中的应用。
本发明所述改性聚氨酯组合物,可用于制备聚氨酯复合材料。在一个具体实施方式中,所述聚氨酯复合材料包括聚氨酯树脂基体和增强材料,所述聚氨酯树脂基体采用本发明所述改性聚氨酯组合物制备,而增强材料可以选用本领域常用增强材料,比如泡沫、玻纤、碳纤、PET、PVC、巴沙木等。
聚氨酯复合材料可以采用本领域常用方法制备,比如真空灌注工艺、拉挤成型工艺、缠绕成型工艺、手糊成型工艺、喷射成型工艺、模压成型以及预浸料工艺等。
本发明还提供本发明所述改性聚氨酯组合物在制备风电叶片中的应用。
本发明所述改性聚氨酯组合物,可用于生产风电叶片。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明改性聚氨酯组合物,采用特定的羟基组分,具有水分敏感度低、常温固化效果好,Tg建立快,力学性能好,生产效率高等突出优点,适用于各种复合材料成型工艺。
附图说明
图1为本发明实施例1~5和对比例1的聚氨酯组合物的凝胶放热曲线。
图2为图1的局部放大图。
具体实施方式
本发明改性聚氨酯组合物,包含以下组分:
a)异氰酸酯组分:包含一种或多种异氰酸酯;
b)羟基组分:包含多元醇和式Ⅰ化合物,
Figure BDA0003425962210000031
R1、R2、R3和R4分别独立选自1~4个碳原子的亚烷基;R5、R6、R7分别独立选自氢或甲基;
c)助剂:包含催化剂和自由基引发剂。
本发明改性聚氨酯组合物,采用特定的羟基组分,利用该组分的-OH和NCO发生聚氨酯加成反应,再利用双键的自由基聚合促进聚氨酯反应的后固化,含有加成和自由基两种反应的配方体系。本发明配方体系常温时具有更好的固化效果,Tg建立快速,从而大大减少了产品后固化时间,降低了制备过程中的占模时间,大幅度提升了生产效率。
本发明的异氰酸酯组分包含一种或多种异氰酸酯。本发明所述的异氰酸酯为异氰酸的各种酯的总称,包括二异氰酸酯和多异氰酸酯。在本发明的一些实施例中,所述异氰酸酯包括但不限于甲苯二异氰酸酯(TDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、二环己基甲烷二异氰酸酯(HMDI)、六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、赖氨酸二异氰酸酯(LDI)、1,5-萘二异氰酸酯(NDI)、对苯二异氰酸酯(PPDI)、对苯二亚甲基二异氰酸酯(XDI)等,以及这些异氰酸酯的多聚体或其组合。
在本发明的一个具体实施例中,所述异氰酸酯为MDI和聚合MDI。所述聚合MDI可以采用各种品牌,比如万华PM200等。
羟基组分为与异氰酸酯反应的组分,包括多元醇和式Ⅰ化合物。本领域常用的多元醇均适用于本发明,包括但不限于聚醚多元醇、聚酯多元醇等。
在本发明的一个实施方式中,式Ⅰ化合物为季戊四醇三丙烯酸酯。季戊四醇三丙烯酸酯的结构式为:
Figure BDA0003425962210000041
式Ⅰ化合物可以采用市售,也可以用本领域常规方法制备得到。
在本发明的一个实施方式中,所述多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为0.5~4:1。在一个具体实施例中,多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为1:1。
在本发明的一个实施方式中,羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:30~100。在一个具体实施例中,羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:52。
本发明所述改性聚氨酯组合物中,还包括助剂。所述助剂包含催化剂和自由基引发剂。
所述催化剂为本领域常用的用于催化异氰酸酯基团与羟基反应的催化剂,包括但不限于胺类催化剂、有机金属催化剂或其混合物。所述的胺类催化剂,包括但不限于脂肪族胺类催化剂N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚、N,N,N',N'-四甲基亚烷基二胺、三乙胺、N,N-二甲基苄胺等;脂环族胺类催化剂固胺、N-乙基吗啉、N-甲基吗啉、N,N‘-二乙基哌嗪等;醇类化合物催化剂三乙醇胺、DMEA;芳香族胺类催化剂吡啶,N,N’-二甲基吡啶等。有机金属催化剂包括但不限于有机锡类催化剂乙酸锡、辛酸锡、乙基己酸锡、月桂酸锡、二丁基氧化锡、二丁基二氧化锡、二丁基二乙酸锡、二丁基马来酸锡、二辛基二乙酸锡等;有机锌类催化剂,环烷酸锌、异辛酸锌、乙酸锌、二(五甲基环戊二烯)基锌、葡萄糖酸锌、蛋氨酸锌、新葵酸锌等。所述催化剂的用量为本领域常规用量。
自由基引发剂为本领域常用的可以引发自由基反应的引发剂,包括但不限于过氧化苯甲酰、过氧化月桂酰、过氧化-2-乙基已酸叔丁酯、过氧化二叔丁基、过氧化二异丙苯、过氧化苯甲酸叔丁酯、过氧化叔戊酸叔丁基酯、过氧化甲乙酮、过氧化环己酮等。所述自由基引发剂的用量为本领域常规用量。
在本发明的实施方式中,所述助剂还可以包括促进剂、消泡剂等。
促进剂主要起着加速混合体系中引发剂的分解,可与引发剂配合使用,本领域常用的促进剂均可适用于本发明。在本发明的一个具体实施方式中,所述促进剂为环烷酸钴、异辛酸钴、环烷酸锌、异辛酸铜、环烷酸铬、异锌酸铬、环烷酸镍、环烷酸铋、N,N二甲基苯胺、N,N二甲基卞胺、N,N二乙基苯胺、N,N二乙基对甲苯胺、三亚乙基二胺和2,6二乙基苯胺中的至少一种。
消泡剂可以采用本领域常用的消泡剂,比如,采用BYK053或BYK088等。
此外,本发明的改性聚氨酯组合物,还可以包括其他添加剂,包括但不限于填料、内脱模剂、阻燃剂、防烟剂、染料、颜料、抗静电剂、抗氧剂、UV稳定剂、稀释剂、表面润湿剂、流平剂、增塑剂等。
本发明还提供本发明所述改性聚氨酯组合物在制备聚氨酯复合材料中的应用。
本发明所述改性聚氨酯组合物,可用于制备聚氨酯复合材料。在一个具体实施方式中,所述聚氨酯复合材料包括聚氨酯树脂基体和增强材料,所述聚氨酯树脂基体采用本发明所述改性聚氨酯组合物制备,而增强材料可以选用本领域常用增强材料,比如泡沫、玻纤、碳纤、PET、PVC、巴沙木等。
聚氨酯复合材料可以采用本领域常用方法制备,比如真空灌注工艺、拉挤成型工艺、缠绕成型工艺、手糊成型工艺、喷射成型工艺、模压成型以及预浸料工艺等。
本发明还提供本发明所述改性聚氨酯组合物在制备风电叶片中的应用。
本发明所述改性聚氨酯组合物,可用于生产风电叶片。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述,并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例中所用原料如下:
季戊四醇三丙烯酸酯(PETA):购于江苏溧阳市润达化工有限公司,含量>99.99%,分子量为298,CAS No.:3524-68-3。
PM200:聚合MDI,官能度为2.7,NCO含量30.75%,购自万华化学聚氨酯公司。
MDI50:单体MDI,具体牌号为WANNATE-MDI-50,NCO含量为32.55%,购自万华化学。
MN500:购于中国蓝星东大有限公司,起始剂为甘油的聚醚多元醇,分子量为500。
DDL400:购于淄博德信联邦化学有限公司,起始剂为丙二醇的聚醚多元醇,分子量为400。
环烷酸钴:购自阿拉丁试剂。质量浓度为9.7-10.5%
消泡剂BYK088:购自于上海海逸(成都)贸易公司,制造商为毕克化学有限公司。
异辛酸锌:购自新典化学材料(上海)有限公司
过氧化-2-乙基已酸叔丁酯:麦克林化学试剂网,≥98%,理论活性氧量:7.40%
实施例1-5
改性聚氨酯,配方见表1。
表1
Figure BDA0003425962210000061
对比例1
采用实施例1配方,仅将其中的PETA替换为甲基丙烯酸羟丙酯。
性能测定:
1、凝胶放热曲线的测定:
参照GB/T7123.1中第5节的规定,将两组分物料按比例配置成100g,控制环境和物料温度为25±0.5℃,将无纸记录仪的导线端子插入到混合物料中心,开启无纸记录仪,每间隔30s采集混合物料的放热温度,形成一连串的时间相对温度的数据点,收集数据绘制形成凝胶放热数据曲线。
测定两组分混合物料的凝胶放热曲线,见图1。图1中,SS1~SS5表示本发明中的具体实施案例1~5,其中,SS-1为实施例1物料,SS-2为实施例2物料,SS-3为实施例3物料,SS-4为实施例4物料,SS-5为实施例5物料,DB1表示本发明中的对比例1物料。图2为图1的局部放大图。
可见,与对比例1相比,本方法改性聚氨酯组合物在混合初期有更低的起始温度,同时还具备具有更长的有效凝胶时间。
以两组分混合粘度达到@25℃,600mpas作为判定标准,测定其有效凝胶时间,其结果见表2。
表2
编号 凝胶时间25℃-600mpas,单位为min
实施例1 115
实施例2 135
实施例3 118
实施例4 103
实施例5 112
对比例1 83
以上数据测试数据再次说明,本发明得到聚氨酯组分具有更长的可操作时间,更加适合更大FRP制品的灌注制备。
2、热变形温度
同条件下后固化热变形温度测试。其中,50℃后固化时间下的热变形温度见表3,70℃后固化时间下的热变形温度见表4。
表3
Figure BDA0003425962210000071
以上测试数据说明,本发明制备的浇注体后在50℃条件下进行后固化,固化3h即可达到70℃以上的热变形温度,而对比例则需要后固化4h温度仅有61℃,这说明本发明需要后固化的时间更少,更加节省能耗。
表4
Figure BDA0003425962210000072
Figure BDA0003425962210000081
对比发现相同温度下,本发明70℃后固化1h,热变形温度即可达到70℃,而对比例仅为54℃,这再次说明在后续生产制造过程中,本发明需要加热的时间更少,可大幅度减少占模时间,节约生产能耗,提升生产效率。3、力学性能
实施例1-5以及对比例1的聚氨酯固化后的力学性能见表5。固化条件为:双组分混合脱泡后导入玻璃夹层中,静置24h,然后升温至70℃,后固化4h。取出后切割打磨成标准尺寸样条,按照进行力学性能的测定。
表5
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 对比例1
拉伸强度/MPa 88.6 82.4 81.5 85.5 87.8 73.9
拉伸模量/Gpa 3.43 3.48 3.35 3.52 3.52 3.17
断裂伸长率/% 8.44 5.42 8.92 8.23 8.02 4.68
弯曲强度/MPa 142 132 128 130 140 114
弯曲模量/Gpa 3.55 3.62 3.41 3.38 3.58 3.15
压缩强度/MPa 119.6 112.5 110.5 118.2 119.5 105
冲击强度KJ/m<sup>2</sup> 42.43 32.68 45.2 42.4 41.25 15.8
吸水率% 0.23 0.31 0.33 0.29 0.25 0.61
4、湿度敏感性
实施例1-5的白料比黑料为100:52,对比方案为100:85,制备浇注体观察气泡缺陷,其结果见表6。
表6
Figure BDA0003425962210000082
Figure BDA0003425962210000091
可见,本发明聚氨酯中异氰酸酯占比大幅度降低,制备过程中产生气泡和缺陷的大幅度降低,对空气以及环境湿度敏感性更低。

Claims (8)

1.改性聚氨酯组合物,其特征在于,包含以下组分:
a)异氰酸酯组分:包含一种或多种异氰酸酯;
b)羟基组分:包含多元醇和式Ⅰ化合物
Figure FDA0003425962200000011
R1、R2、R3和R4分别独立选自1~4个碳原子的亚烷基;R5、R6、R7分别独立选自氢或甲基;
c)助剂:包含催化剂和自由基引发剂。
2.根据权利要求1所述的改性聚氨酯组合物,其特征在于:所述多元醇为聚醚多元醇、聚酯多元醇中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的改性聚氨酯组合物,其特征在于:式Ⅰ化合物为季戊四醇三丙烯酸酯。
4.根据权利要求1所述的改性聚氨酯组合物,其特征在于:所述多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为0.5~4:1;优选多元醇与式Ⅰ化合物的重量比为1:1。
5.根据权利要求1所述的改性聚氨酯组合物,其特征在于:羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:30~100;优选羟基组分与异氰酸酯组分的重量比为100:52。
6.根据权利要求1所述的改性聚氨酯组合物,其特征在于:还包括促进剂、消泡剂中的至少一种。
7.权利要求1~6任一项所述的改性聚氨酯组合物在制备聚氨酯复合材料中的应用。
8.权利要求1~6任一项所述的改性聚氨酯组合物在制备风电叶片中的应用。
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