聚脲和聚氨酯(脲)的对比研究.pdf

全 国中文核 心期刊 斩 建蟓 聚脲和聚氨酯 脲 的对比研究 黄微波 李宝军 吕平 青 岛理工大学 功能材料研 究所 山东 青岛266033 摘要 通过力学性能测试对比分析了聚脲和聚氨酯 脲 在宏观性能上的差异 结果表明 聚脲的力学性能优于聚氨酯 脲 采 用傅立叶红外谱图 FTIR 和扫描 电镜 SEM 考察了聚脲和聚氨酯 脲 的结构形貌 FTIR 实验结果表明 聚氨酯 脲 中含有羟基和 氨酯基 而在聚脲 中则检测不到这 2 种基 团的吸收峰 SEM 实验结果表明 聚脲 的表面形貌比聚氨酯 脲 的要明显规则和致密 关键词 聚脲 聚氨酯 脲 结构形貌 SEM FTIR 中图分类号 TU 56 1 65 文献标识码 A 文章编号 100 1 702X 2011 02 0050 03 C om pa rati ve stud y Oi l p ol y u rea a n d h yb ri d H UA N G W ei bo LI B aojun J Func ti onal M ateri al s Researc h Insti tute Q i ngdao Tec hnol ogy Uni versi ty Qi ngdao 266033 Shandong Chi na Ab stra c t In thi s paper the di fferenc e of pol yurea and hybri d on the mac ro perf orm anc e were anal yzed c om parati vel y by m ec hani c al pm pe i es test T he resul ts show ed that the m ec hani c al propefli es of pol yurea w ere better than that of hybri d A nd then fou ri er transform i nfrared spec tra FTIR and sc anni ng el ec tron m i c rosc opy SE M w ere used to study the stru c tural m orphol ogy of pol yu rea and hybri d FTIR resul ts show ed that the hyb ri d c ontai ned hydroxyl and urethane w hi l e i n pol yurea these tw o groups absorpti on peaks w ere not detec ted SE M resul ts show ed that c om pared to hybrid pol yurea s surfac e m orphol ogy w as m ore regul ar and c om pac t K ey w o rd s pol yurea hybri d stru c tural m orphol ogy SE M I FIR 0前言 聚脲和聚氨酯 脲 由于组成成分上的差异 导致宏观性 能和微观结构形貌上存在很大差异 二者成分上的差异主要 在于 聚脲的B 组分由端胺基聚醚和胺类扩链剂组成 l I 聚氨 酯 脲 的B 组分为端胺基聚醚与端羟基聚醚的混合物和催 化剂构成 由于端羟基聚醚的反应速度比端胺基聚醚的慢圜 所以需要添加催化剂来提高端羟基聚醚与异氰酸酯的反应速 度 这种成分上的差异 导致两者发生不同的化学反应 生成 不同的 产物 因此就会产生宏观性能和微观结构形貌的差异l引 本文对聚脲和聚氨酯 脲 的力学性能进行了对比 并对 聚脲和聚氨酯 脲 进行微观上的研究 对比了聚脲和聚氨酯 脲 在化学组成和结构形貌上的差异 解释了两者在宏观 收稿 日期 2010一 l 1 23 作者简介 黄微波 男 1963 年 生 重庆人 博 士 教授 长期从事聚脲 防护技术研究 通讯作者 李宝军 地址 山东省青岛市抚顺路 11 号 青岛理工大学 111 信箱 电话E m ai l l i baojun0451 si n a c orn 50 新型建筑材料 2011 2 性能上存在差异的原因 并可达到鉴别聚脲和聚氨酯 脲 的 目的旧 1实验 1 1原材料 M DI预聚体的性能指标见表l 聚脲B 组分和聚氨酯 脲 B 组分由青岛理工大学功能材料研究所自 制 表 1 M D I的性能指标 外观 相对分 子质量官能度沸点 闪点 C 白色或 浅黄色 固体结晶 250 26 2 196 202 1 2 样 品制备 室温条件下在装有A 组分和B 组分 包括聚脲的B 组分 和聚氨酯 脲 的B 组分1的料桶中分别插入相应的抽料泵 主 机选择 Gusmer公司的H 一 20 35 型喷涂机 在喷涂前先将机 器预热 管子的温度设定为70 一切准备就绪后 利用喷枪 将A 组分和B 组分喷涂在事先涂抹好脱模剂的PVC 板上 喷涂厚度为 2 0 0 2 mm 喷涂时要时刻观察喷涂机上压力 表的参数 保证 A 料泵和B 料泵的压力基本相等 以确保A 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 黄微波 等 聚脲和聚氨酯 脲 的对 比研究 料和 B 料混合均匀 待聚脲及聚氨酯 脲 反应固化后 将喷 涂好的样片取下 此后跟踪聚脲和聚氨酯 脲 7 d 内的力学性 能 养护7 d 后对养护好的样片进行微观分析 1 3 测试 仪器 拉伸试验机 M Z一 4000D 切片机 MZ一 4102 江苏 明珠 公司 红外光谱仪 TENSOR 27 德国BRUKER 公司 SEM 扫 描电镜 S 3500N 日本目立公司 厚度计 A1 031 青岛市四 方机厂 2结果与讨论 2 1 力学 岳 图 1 5 00 45O 量 40o 堡 3 50 30 O 2 5O 时 间 d 聚脲和聚氨酯 脲 的拉伸强度发展规律 时 I剐 d 图 2聚脲和聚氨酯 脲 的断裂伸长率发展规律 由图1 可见 1 d 时聚脲的拉伸强度为3 87 M Pa 聚氨酯 脲 的拉伸强度为7 36 M Pa 到4 d 时 两试件的拉伸强度已 经非常接近 而在4 5 d 时 聚氨酯 脲 的拉伸强度有了一个 很大的增加值 由8 91 M Pa增加为10 71 M Pa 聚脲仍以平稳 的速度增加 在6 7 d 时 聚脲的拉伸强度开始高于聚氢酯 脲 的强度 由图2 可见 在 1 d 时聚脲的断裂伸长率为251 46 聚 氨酯 脲 的断裂伸长率为329 33 之后聚脲的断裂伸长率 以一个较大的速度增长 而聚氨酯 脲 的断裂伸长率的增长 速率也开始增大 聚脲在3 5 d 时 断裂伸长率的增长趋于平 缓 在5 d之后其断裂伸长率则又出现增大的趋势 而聚氨酯 脲 的断裂伸长率在4 6 d 几乎没什么变化 6 d 后出现了下 降 由图 1 图2 可见 聚氨酯 脲 的拉伸强度与断裂伸长率 在 1 d 时都高于聚脲 而在之后的发展阶段 聚脲的性能则开 始慢慢超过聚氨酯 脲 这与氨基 羟基和异氰酸酯的反应机 理密切相关 由于氨基与异氰酸酯的反应速率非常快 两者生 成的脲基化合物部分阻断了氨基与异氰酸酯的接触 另外 由 于仲氨的反应活性要弱于伯胺 使得在前期仲胺还未与异氰 酸酯反应 71 而由于异氰酸酯与羟基化合物的反应速度相对 慢很多 使两者反应相对比较完全 而在之后的时间里 由于 没来得及与异氰酸酯接触的氨基开始慢慢与异氰酸酯反应 同时由于伯胺的反应完全使仲氨也开始与异氰酸酯进行反 应 81 这就使聚脲的拉伸强度与断裂伸长率在之后几天有了 很大的增长 而在聚氨酯 脲 中 由于反应基本完全 聚氨酯 脲 的强度发展基本趋于平缓 而在 5 d 时 聚氨酯 脲 的强 度相对于 4 d 的强度提高了很多 这可能是由于一开始异氰 酸酯与羟基反应生成的氨基甲 酸酯与异氰酸酯反应生成了脲 基甲酸酯支链或交联 2 2 FTIR 分析 图3 图4 分别为聚氨酯 脲 和聚脲的FFIR 图谱 蹬 警 8 萋 i 350O JUu Z艺 删 UJ l uu I KI 波数 c 图 3聚氯酯 脲 的 F FIR 图谱 由图3 可见 在 3312 c m 处的吸收峰为氨基的伸缩振 动 且此处的吸收峰很宽 说明有羟基的伸缩振动 在2840 2969 c m 的强吸收峰归属于C H 的伸缩振动 在 1727 c m 附近出现的吸收峰表明有氨酯羰基的伸缩振动 9 在 1309 1651 c m 的吸收峰为C O C N C C 的伸缩振动和N H C H 的弯曲振动的共同作用 在 1300 c m一以下的为指纹区 由于它们的吸收峰为各种基团的叠加 不易分辨出具体的基 团 因此这里不作讨论 j J I I l l I Ir l I 晕 嚣 2 黜昌葛 是拳鲁 i 蠢 i 2 3513O 3O0O 25OO 20OO 1500 1000 波数 c 图 4聚脲 的 F FIR 图谱 N EW B U l LD IN G M A TE R IA LS 5 1 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 黄微波 等 聚脲和聚氨酯 脲 的对 比研究 由图4 可见 氨基的伸缩振动出现在 3282 c m 处 在 2870 2969 em 的吸收峰为c H 的伸缩振动 在1305 1640 em 的吸收峰为 C O C N C C 的伸缩振动和 N H C H 的弯曲振动的共同作用f o 比较图3 和图4 可以发现 聚脲和聚氨酯 脲 主要存在 2 点明显差异 首先 由图3 可知 聚氨酯 脲 中不仅有氨基 的存在 而且也存在羟基 而在图4 中聚脲只能检测到氨基的 存在 其次 在图3 中能够检测到氨酯基的伸缩振动 而在聚 脲的吸收光谱图中在这一范围则看不到有明显的吸收峰 这 些差异与它们的化学反应是吻合的 因此 我们可以通过聚脲 与聚氨酯 脲 的红外光谱图上存在的这些差异对聚脲与聚氨 酯 脲 进行鉴别 2 3 表面形 貌分析 图5 和图6 分别是聚氨酯 脲 和聚脲的放大 1000 倍 SEM 照片 图 5聚氨酯 脲 的 SEM 照片 图 6 聚脲 的 SE M 照 片 比较图5 和图6 可知 聚氨酯 脲 的网络结构极不均 匀 在其网络结构中 出现了很大的缺陷 并且从断层可以 看出其结构有很多的分层 而聚脲的表面则显得非常平整 致密 这主要是由于聚氨酯 脲 在产生聚合物网络结构时 异氰酸酯会与周围环境的水分反应而生成气体 而气体的 存在会阻断材料网络结构的连续性 从而就会看到图5 所 示的情况 但聚脲就没有出现这种情况 因为聚脲中异氰酸 52 新型建筑材料 2011 2 酯来不及和周围环境的水反应就已经和端胺基聚醚反应 因此 聚脲的网络结构表现的非常致密 这些结论已经得到 我们和国外学者的共同证实 l 1 两者在微观结构上的差异 同时也很好的解释聚脲的力学性能要优于聚氨酯 脲 的原 因 3结语 1 前期聚氨酯 脲 的力学性能优于聚脲 但经过几天的 养护 聚脲的力学性能就会慢慢超过聚氨酯 脲 2 可以通过检测红外光谱图中是否含有氨酯基对聚氨 酯 脲 和聚脲进行鉴别 如果含有氨酯基则为聚氨酯 脲 没 有则为聚脲 3 聚脲与聚氨酯 脲 微观结构存在明显差异 聚氨酯 脲 微结构疏松 存在明显缺陷 而聚脲结构平整致密 更适 合于恶劣工况条件下的使用 参考文献 1 黄微波 杨 宇润 昌平 喷涂聚脲 弹性体材料 J 材料导报 2000 l 4 12 33 35 2 黄微波 喷涂聚脲弹性体技 术 M 北京 化 学I l k 版社 2005 2 5 3 吕平 黄 微波 喷涂 聚脲 弹性体 材料 的性能 J 新 型建筑 材料 1999 12 46 48 4 董剑 余敏 傅立 叶变 换红 外光谱仪 fJJ 上 海计量测 试 2002 29 4 4 0 42 5 钟海庆 红外光谱法入 门 M 北京 化 学工业 出版社 1984 6 黄微波 吕平 王卫英 鉴别 喷涂聚脲 喷涂聚 氨酯 脲 或喷涂聚 氨酯的展色剂及其检测方法 中国 CN200910020530 1IP 7 7 吕平 陈国华 黄微波 聚天冬氨酸酯 聚脲涂层加速 老化行为研 究 JI 四川大学学报 2007 39 2 92 97 8 吕平 不 同硬段含量 聚天冬氨酸 酯聚脲涂层 耐海 洋环境老化研 究 J1 腐蚀 与防护 200 8 29 3 28 33 9 9 吕平 陈 国华 黄 微波 新型聚 天门冬氨酸 酯聚 脲的结构 与性 能 合成橡胶工业 2007 30 4 263 266 10 罗宁 王 得宁 应 圣康 聚氨酯红