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聚氨酯弹性体独特性能拓广阔应用

聚氨酯弹性体独特性能拓广阔应用

发布时间:
2019/07/05
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  聚氨酯弹性体的特性

  聚氨酯弹性体是典型的多嵌段共聚物,分子链由玻璃化温度低于室温的柔性链段和玻璃化温度高于室温的刚性链段嵌段而成。其中低聚物多元醇构成柔性链段,二异氰酸酯和小分子扩链剂构成刚性链段。柔性链段和刚性链段的嵌段结构决定了其性能的特殊性,主要表现在:

  (1)硬度范围宽。普通的橡胶硬度范围一般在绍尔a20-90,塑料的硬度范围约为绍尔a95-绍尔d100,聚氨酯弹性体能达到低至绍尔a10以下,高至绍尔d85,且不需要填料辅助。(2)较高的强度和弹性。聚氨酯弹性体在较宽的硬度范围内仍然可以保持较高的强度和弹性。(3)优异的耐磨性,是天然橡胶的2-10倍,以“耐磨橡胶”著称。(4)耐水、油脂及耐化学品性优良。(5)抗冲击性高、耐疲劳性及抗震动性高,适于高频挠屈应用。(6)耐低温性能好。低温脆性约在-30℃或-70℃以下。(7)具有优良的保温性能。由于导热系数较低,与橡胶和塑料相比,保温效果较好。(8)良好的生物相容性和抗凝血性能。

  另外,该类材料还具有优异的电绝缘性、耐霉菌性能和紫外线稳定性。 加工方式多样

  聚氨酯弹性体既可跟普通橡胶一样采用塑炼、混炼、硫化工艺成型,也可以液体橡胶的形式,进行浇注模压、浇注离心成型或者喷涂,还可以制成颗粒材料,用注射、挤出、压延、吹塑等工艺成型。

  模压或浇注成型的制品还可以通过半成品车削的机械手段再次加工。这种半成品车削的加工方式已经成为近几年行业内比较流行的加工方式。特别是浇注型聚氨酯弹性体,利用弹性体浇注机机械浇注后,使用数控机床对半成品进行再次车削。这种工艺不仅提高了工作效率,还使产品的尺寸精度和外观都得到很大程度的改善,而且利用浇注机浇注也避免了手工浇注可能造成的隐性缺陷,大大提高了产品的使用寿命。

  应用领域广泛

  由于聚氨酯弹性体的诸多优异特性,加之加工手段、方式灵活,近年来聚氨酯弹性体已经越来越多地应用到各个行业中,应用领域日益扩大。

  1.国防工业

  聚氨酯弹性体在国防工业的应用非常广泛,如各种大炮的气密垫、导弹头保护罩、飞机的正流罩、机舱船舱内的坐垫、膝盖防护、航空薄壁油箱、航空航天饮用水箱内膜、直升机旋翼防腐膜、飞机起落架缓冲器、防弹实心轮胎、坦克装甲车防滑材料、枪械枪托、军用气球、军用电缆护套、海洋声学材料、航空航海电器灌封件和涂料等。另外,航空航天方面的一些密封件也用到聚氨酯弹性体。

  西北橡胶塑料研究设计院目前正在研发一种航天用贮水容器内胆,主要用于储存饮用水,保证饮用水在储存期内的水质要求,并可在系统故障模式下,用作贮存冷凝水和人体尿液的容器。

  国际上nasa应急水袋内胆材料为combithermvpcxx-140,它是一种多层共挤复合膜。试验证明,这种材料与含银离子水具有良好的相容性,也适合作为贮存尿液的材料,但由于这种材料会迅速吸收碘,不适合盛装含碘杀菌剂水。另外,这种材料由5种材料加工而成,在焊接的断面处会析出有机碳,主要是己内酰胺。 西北橡胶塑料研究设计院选用无毒性和生物相容性极好的热塑型聚氨酯弹性体薄膜材料,采用特殊熔接工艺加工而成,不会带来或析出任何有毒性物质。样件已通过饮用水水质检验、冷凝水的相容性要求和蒸馏后的预处理尿液残渣的相容性要求。

  2.轻纺工业

  聚氨酯弹性体在轻纺工业也有较大应用,有纺织胶辊、压线轮、增速轮、回转轮、印染印刷胶辊、化纤切粒胶辊、纤维拉丝胶辊、人造革、合成革表面涂层和胶粘剂、鞋面革和鞋底、多种用途的pu革、软泡床垫、坐垫、沙发垫、电冰箱的保温层、高档家具和轻工产品装饰的涂漆等。

  3.交通运输

  现今的汽车工艺正在向高性能、低重量、舒适与安全的方向发展。橡塑合成材料正在逐步取代金属材料,这就为聚氨酯弹性体的应用开辟了极为广阔的前景。保险杠、方向盘、坐垫、靠垫、扶手门衬板、隔垫顶板、安全气囊等都广泛采用聚氨酯弹性体材料。近年来,新型的绿色聚氨酯复合轮胎也正在研发中。还有实心轮胎、码头护舷和客车防寒垫、机车油箱的密封圈及火车枕木的减震垫等。

  4.油田、矿业

  在油田方面的应用包括输油管、储油罐及保温材料、石油压裂工艺中用的凡尔体密封件及一些耐磨性的密封元件。另外,在海油开采中所用的一些防腐蚀悬浮包覆材料等都会用到聚氨酯弹性体。

  聚氨酯弹性体在矿业的应用已经比较成熟,在采矿的提升、分级、筛分脱水、输送等工艺过程中,绝大部分设备都需要使用聚氨酯弹性体作为结构件,如矿石筛板、筛网、实心轮、球磨机衬里、聚氨酯水力旋流器、浮选机的转子及定子,还有一些输送带及液压支架密封件等。

  高性能液压支架密封件适用于煤矿综采液压支架各类立柱、千斤顶上,它充分利用了聚醚型聚氨酯弹性体、丁腈橡胶、聚甲醛、聚四氟乙烯材料的互补性能,这种组合密封件摩擦系数小,使用寿命长,安装方便,可以最大程度地发挥综采液压支架的效能,达到稳定的支撑压力和高可靠性能,是煤矿综采液压支架密封件选型换代产品。

  特别是聚醚型聚氨酯弹性体部分,采用先进的无模车削加工工艺,没有“标准”和“非标准”的界限,根据用户需要随时可以设计加工任意尺寸、任意截面的密封件。而且这种组合密封件种类多,需求量极大、产品附加值高。

  国内聚氨酯行业的很多厂家也是看准了这一商机,在这一领域不断加大投入,购买各种进口的数控车床,提高企业竞争能力,甚至涌现出许多专门从事液压组合密封行业的厂商。

  5.建筑工程

  在建筑工程方面,聚氨酯弹性体的使用包括:防水材料、嵌缝材料、冷库壁材和房屋防湿与防寒材料、弹性地板、胶粘剂和涂饰剂等。

  在工程建筑防水方面,西北橡胶塑料研究设计院自主研发的聚醚型聚氨酯弹性体密封垫,主要用于地铁、越江隧道地下工程防水方面。它是利用弹性体材料的分子主链中含有强吸水基团的特性,制作的吸水膨胀弹性防水材料。这种防水密封材料吸水后的体积膨胀率可以达到400%以上,并且吸水后的拉伸强度仍可以保持较高的水平。该项技术填补了国内空白,打破了日本企业在国内的垄断地位。目前已经在上海、南京、武汉、杭州等得到成功安装使用,满足了地下防水工程的需要。

  6.生物学和其他

  医用聚氨酯弹性体是近几年新兴的热门领域。聚氨酯弹性体在生物医学领域表现出的优越性能,使其在该领域的应用越来越广泛,表现为在人工心脏、医用薄膜、弹性绷带、医用导管、牙齿、人造皮肤、假肢、软骨等医用聚氨酯弹性体的需求量在不断增大。

  聚氨酯弹性体的独特结构使其与天然橡胶、硅橡胶、α-烯烃橡胶等高分子材料相比,具有较好的生物相容性。据相关机构对高分子材料粘附血小板形态变化的研究表明,聚氨酯弹性体表面比硅橡胶表面吸附的血小板变形程度轻、粘附数少,证实聚氨酯弹性体的血液相容性优于硅橡胶。因此,聚氨酯弹性体材料成为目前各国研究人工心脏及其辅助装置的首选材料。

  美国公司已经合成出由90%的聚氨酯和10%聚二甲基硅氧烷(pdms)构成的嵌段共聚物,由其制成的人工心脏及辅助装置、主动脉内气囊、导管、血管等医用器件,临床应用时表现出较好的血液相容性和抗血栓能力。 另外,近几年一种新型的聚氨酯医用薄膜也被研发出来。它逐渐代替了传统的pe、pvc类医用薄膜。聚氨酯弹性体薄膜是以聚氨酯弹性体薄膜为基底,在其表面涂覆一层医用压敏型胶粘剂制成的医用薄膜。它不仅保留了pe、pvc类医用薄膜具有的防水、防体液渗透等优点,并具有轻薄柔软、亲肤性好、高弹性、高透湿性、100%防水等优点,同时还可有效抑制各种病菌在手术中游移。

  其他方面,如在体育方面用于聚氨酯跑道、羽毛球场地、网球及运动鞋等。

  总之,聚氨酯弹性体材料已经被越来越多地应用到我们日常生产、生活的各个领域,并且由于其性能方面的许多优势,聚氨酯弹性体在许多方面都有取代橡胶和塑料,成为一种新型的热门高分子材料的趋势。

  问题及展望

  聚氨酯弹性体并非十全十美,它也有缺点:1.内生热大,耐高温性能一般。聚氨酯弹性体的正常使用温度范围在-30℃到80℃,不宜在120℃以上长期使用。2.不耐强极性溶剂和强酸碱介质。在一定温度下,醇、酸、酮会使聚氨酯弹性体溶胀和降解。二氯甲烷、二甲基甲酰胺、三氯乙烯等溶剂在常温下就会使聚氨酯弹性体发生溶胀。

  国内市场对聚氨酯的需求逐年增加,但是一些关键原料还主要依靠进口,制约了聚氨酯工业的发展。我们应加速关键原材料生产的国产化,生产出性能优良、价格低廉的原材料。

  聚氨酯弹性体材料的合金化研究也成为近年来高分子材料研究的一个热门话题。聚氨酯弹性体可与pvc、pe、abs等多种合成树脂进行复合,以降低成本和提高性能。聚氨酯弹性体也可以通过添加一些有机填料进行改性,来突出或加强某些方面的性能,或者改善聚氨酯弹性体的一些缺点来满足特殊需要。

  随着聚氨酯弹性体制品要求的提高和人们环保意识的加强,开发新型的脂肪族的多异氰酸酯也成为一个迫切的研究课题。

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