聚氨酯分子结构与性能的关系00708

聚氨酯密封胶的性能聚氨酯胶粘剂的配方设计基本要求及注意事项胶粘剂的设计是以获得最终使用性能为目的,对聚氨酯胶粘剂进行配方设计,要考虑到所制成的胶粘剂的施工性(可操作性)，固化条件及粘接强度，耐热性，耐化学品性，耐久性等性能要求。

1.聚氨酯分子设计——结构与性能聚氨酯由于其原料品种及组成的多样性,因而可合成各种各样性能的高分子材料，例如从其本体材料(即不含溶剂)的外观性严主讲,可得到由柔软至坚硬的弹性体，泡沫材料，聚氨酯从其本体性质(或者说其固化物)而言,基本上届弹性体性质,它的一些物理化学性质如粘接强度，机械性能，耐久性，耐低温性，耐药品性,主要取决于所生成的聚氨酯固化物的化学结构，所以,要对聚氨酯胶粘剂进行配方设计,首先要进行分子设计,即从化学结构及组成对性能的影响来认识，有关聚氨酯原料品种及化学结构与性能的关系。

2. 从原料角度对PU胶粘剂制备进行设计聚氨酯胶粘剂配方中一般用到三类原料:一类为NCO类原料(即二异氰酸酯或其改性物、多异氰酸酯),一类为oH类原料(即含羟基的低聚物多元醇、扩链剂等,广义地说,是含活性氢的化合物,故也包括多元胺、水等),另有一类为溶剂和催化剂等添加剂，从原料的角度对聚氨酯胶粘剂进行配方设计,其方法有下述两种。

(1).由上述原料直接配制最简单的聚氨酯胶粘剂配制法是0H类原料和NCO类原料(或及添加剂)简单地混合，直接使用，这种方法在聚氨酯胶粘剂配方设计中不常采用,原因是大多数低聚物多元醇分子量较低(通常聚醚 Mr<；6000,聚酯Mr<；3000),因而所配制的胶粘剂组合物粘度小，初粘力小，有时即使添加催化剂,固化速度仍较慢,并且固化物强度低, 实用价值不大，并且未改性的 TDI蒸气压较高,气味大，挥发毒性大,而MDI常温下为固态,使用不方便,只有少数几种商品化多异氰酸酯如PAPlDesmodur RDesmodur RFCoronate L等可用作异氰酸酯原料。

药用高分子材料——聚氨酯（精）药用高分子材料——聚氨酯聚氨酯弹性体( Polyurethane, 缩写PU ) 是由软链段和硬链段交替镶嵌组成的、含有许多-NHCOO-基团的极性高聚物，通过选择适当的软、硬链段结构及其比例，就可合成出既具有良好的物理机械性能，又具有血液相容性和生物相容性的医用高分子材料。

一、聚氨酯性能及其应用聚氨酯材料具有优异的机械强度、柔韧性、耐磨性以及生物相容性，可用作各种医用导管材料，如输液管、导液管、导尿管等。

与此同时聚氨酯又具有生物相容性及抗凝血性，成为被研究最广的抗凝血医用高分子材料之一。

在临床应用中聚氨酯因其生物相容性好，无致畸变作用，无过敏反应，可解决天然胶乳医用制品固有的“蛋白质过敏”和“致癌物亚硝胺析出”两大难题，从而替代天然橡胶、硅橡胶、α-烯烃橡胶，成为国内外研制人工心脏及其辅助装置的首选材料。

聚氨酯又因其有优良的韧性和弹性，加工性能好，加工方式多样，是制作各类医用弹性体制品的首选材料。

如热塑性聚氨酯弹性体能够通过溶液浇注成型或挤塑、吹塑成型制成薄而韧的薄膜。

这种薄膜具有较高的强度和弹性，良好的透气性、耐药品性、耐微生物、耐辐射性能，可用于多种医疗卫生用途，如灼伤覆盖层、伤口包扎材料、取代缝线的外科手术用拉伸薄膜、用于病人退烧的冷敷冰袋、一次性给药软袋等。

除以上几方面外，聚氨酯又由于其优异的生物相容性，还应用于假牙、肘部和腿部的人工骨或软骨、人工肾、人工肺、人工肝脏的制造；聚氨酯弹性体分离膜已逐渐替代纤维素膜，可将血液与渗析物分离开来。

二、聚氨酯作为生物吸收材料近年来，生物吸收性高分子以其独特的性能引起了科研部门和医学界人士越来越多的兴趣。

经过数十年的研究与临床应用，一些脂肪族聚酯类生物降解材料比如聚乙交酯、聚丙交酯、聚己内酯、聚甲基丙烯酸羟乙酯等的均聚物或共聚物，已经证明是性能理想的生物吸收材料。

它们的降解产物是人体在新陈代谢过程中本身固有的，其生物无毒性得到了证实。

聚氨酯基本知识概括聚氨酯属于反应型高分子材料，其中的氨基甲酸酯基团是由异氰酸酯官能团和羟基反应生成的。

聚氨酯是由聚亚氨酯和多元醇在催化剂和其它助剂存在下加成聚合反应而生成。

如此，聚亚氨酯是一个含有两个以上异氰酸官能团的分子，而多元醇是一个含有两个以上羟基官能团的分子。

商业制造时，液态异氰酸酯和包含多元醇、催化剂和其它助剂的混合物反应生产聚氨酯，这两种组分即通常所指的聚氨酯配方体系。

北美称异氰酸酯为A组分，或叫“ISO”，多元醇和其它助剂的混合物被称为B组分，或叫“POL Y”，这种混合物有时也被称作树脂或树脂混合物。

在欧洲，A组分和B组分正好相反。

树脂混合的主剂可以包括链增长剂、交联剂、表面活性剂、阻燃剂、发泡剂、颜料和填料。

一、聚氨酯的结构与性能聚氨酯可看作是一种含有软链段和硬链段的嵌段共聚物（～软段～硬段～软段～硬段～软段～）。

软段由低聚物多元醇（通常是聚醚或聚酯二醇）组成，硬段由多异氰酸酯或其与小分子扩链剂组成。

由于非极性、低熔点的软段与极性的、高熔点的硬段热力学不兼容，产生微观相分离，在聚合物体内部形成相区或微相区。

而聚氨酯的粘弹性就来自硬段和软段的相分离。

聚氨酯中存在氨酯、脲、酯、醚等基团产生广泛的氢键，其中氨酯和脲键产生的氢键对硬段相区的形成具有较大的贡献。

聚氨酯的硬段起增强作用，提供多官能团度物理交联（即形成氢键而起“交联”作用），软段基体被硬段相区交联。

软段是由低聚物多元醇构成的，这类多元醇的分子量通常在600-3000之间。

一般来说，软段在PU中占大部分，不同的低聚物多元醇与二异氰酸酯制备的PU 性能各不相同。

软段的结晶性对最终聚氨酯的机械强度和模量有较大的影响。

特别在收到拉伸时，由于应力而产生的结晶化（软段规整化）程度越大，拉伸强度越大。

PU结晶性与其软段低聚物的结晶性基本一致。

结晶作用能成倍地增加粘结层的内聚力和粘结力。

软段的分子量对聚氨酯的力学性能有影响。

硬段由多异氰酸酯或多异氰酸酯与扩链剂组成。

聚氨酯分子结构与性能的关系聚氨酯由长链段原料与短链段原料聚合而成，是一种嵌段聚合物。

一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。

软段和硬段种类影响着材料的软硬程度、强度等性能。

2.3.1 影响性能的基本因素聚氨酯制品品种繁多、形态各异，影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，这些因素之间相互有一定的联系。

对于聚氨酯弹性体材料、泡沫塑料，性能的决定因素各不相同，但有一些共性。

基团的内聚能聚氨酯材料大多由聚酯、聚醚等长链多元醇与多异氰酸酯、扩链剂或交联剂反应而制成。

聚氨酯的性能与其分子结构有关，而基团是分子的基本组成成分。

通常，聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的内聚能大小有关。

聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。

各基团对分子内引力的影响可用组分中各不同基团的内聚能表示，有关基团的内聚能（摩尔内能）见表2-11。

表2-11 基团的内聚能/（kJ/mol）由表2-11可见，酯基的内聚能比脂肪烃和醚基的内聚能高；脲基和氨基甲酸酯基的内聚能高，极性强。

因此聚酯型聚氨酯的强度高于聚醚型和聚烯烃型，聚氨酯-脲的内聚力、粘附性及软化点比聚氨酯的高。

聚氨酯材料的结晶性、相分离程度等与大分子之间和分子内的吸引力有关，这些与组成聚氨酯的软段及硬段种类有关，也即与基团种类及密集程度有关。

氢键氢键存在于含电负性较强的氮原子、氧原子的基团和含H原子的基团之间，与基团内聚能大小有关，硬段的氨基甲酸酯或脲基的极性强，氢键多存在于硬段之间。

据报道，聚氨酯中的多种基团的亚胺基（NH）大部分能形成氢键，而其中大部分是NH与硬段中的羰基形成的，小部分与软段中的醚氧基或酯羰基之间形成的。

与分子内化学键的键合力相比，氢键是一种物理吸引力，极性链段的紧密排列促使氢键形成；在较高温度时，链段接受能量而活动，氢键消失。

氢键起物理交联作用，它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。

l 常见基团的内聚能：
NHCONH>NHCOO>NHCO>OH>COOH>AR>COO>CO>醚键
l 结晶性
结构规整、含极性基团多的线性聚氨酯，分子间氢键多，材料结晶程度就高。

材料的强度、硬度和软化点随着结晶程度的增加而增加，伸长率和溶解性则随之降低。

链段的极性越高，越有利于材料的结晶性。

在线性聚氨酯中引入支链和侧基，增加体系的交联密度，这些都会使结晶性降低。

有时，结晶性好，粘度和透明度会变差，这时需要降低结晶性。

l 分子量
分子量一定程度上决定材料的状态和基本性能。

一定程度上分子量增大，材料的强度、伸长率和硬度都增加，粘度增大。

l 软硬段含量
这里我们将分子中氨基甲酸酯、脲键部分和含苯环的部分都定义为硬段，将其他如脂肪链段和聚醚链段定义为软段。

软段对材料的柔顺性和伸长率有帮助。

硬段对材料的机械性能、硬度和模量有较大的决定性。

l 交联度
分子内的交联可以使材料的硬度、软化温度和模量增加，伸长率和溶解性变差。

常见的交联剂：小分子醇如1,4-丁二醇（BDO）、二乙二醇、甲基丙二醇等，MOCA、E-300，HQEE，HER等
MOCA
l 3,3′-二氯-4,4′-二氨基-二苯基甲烷
精MOCA（含量98%以上）为白色粉末，粗MOCA(纯MOCA含量约80%左右，其余为多苯基多胺基化合物)为黄色粉末或颗粒。

二者在一般用途中可以通用。

如果需要在室温下固化，需将其溶解在聚醚和增塑剂中使用。

聚氨酯分子结构与性能的关系聚氨酯由长链段原料与短链段原料聚合而成，是一种嵌段聚合物。

一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。

软段和硬段种类影响着材料的软硬程度、强度等性能。

2.3.1 影响性能的基本因素聚氨酯制品品种繁多、形态各异，影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，这些因素之间相互有一定的联系。

对于聚氨酯弹性体材料、泡沫塑料，性能的决定因素各不相同，但有一些共性。

2.3.1.1 基团的内聚能聚氨酯材料大多由聚酯、聚醚等长链多元醇与多异氰酸酯、扩链剂或交联剂反应而制成。

聚氨酯的性能与其分子结构有关，而基团是分子的基本组成成分。

通常，聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的内聚能大小有关。

聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。

各基团对分子内引力的影响可用组分中各不同基团的内聚能表示，有关基团的内聚能（摩尔内能）见表2-11。

甲酸酯基的内聚能高，极性强。

因此聚酯型聚氨酯的强度高于聚醚型和聚烯烃型，聚氨酯-脲的内聚力、粘附性及软化点比聚氨酯的高。

聚氨酯材料的结晶性、相分离程度等与大分子之间和分子内的吸引力有关，这些与组成聚氨酯的软段及硬段种类有关，也即与基团种类及密集程度有关。

2.3.1.2 氢键氢键存在于含电负性较强的氮原子、氧原子的基团和含H原子的基团之间，与基团内聚能大小有关，硬段的氨基甲酸酯或脲基的极性强，氢键多存在于硬段之间。

据报道，聚氨酯中的多种基团的亚胺基（NH）大部分能形成氢键，而其中大部分是NH与硬段中的羰基形成的，小部分与软段中的醚氧基或酯羰基之间形成的。

与分子内化学键的键合力相比，氢键是一种物理吸引力，极性链段的紧密排列促使氢键形成；在较高温度时，链段接受能量而活动，氢键消失。

氢键起物理交联作用，它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。

氢键越多，分子间作用力越强，材料的强度越高。

聚氨酯弹性体聚氨酯弹性体的原料种类繁多，大分子结构中基团组成和排列复杂，而且聚氨酯弹性体的合成方法和加工方法多种多样，这样就构成了聚氨酯弹性体化学结构的复杂性和物理构象的明显差异，从而导致聚氨酯弹性体性能的改变。

聚氨酯弹性体是在固体状态下使用，在各种外力作用下所表现的机械强度是其使用性能最重要的指标。

一般来说，聚氨酯弹性体和其它高聚物一样，其性能与分子量、分子间的作用力、链段的韧性、结晶倾向、支化和交联，以及取代基的位置、极性和体积大小等因素有着密切的关系，但是,，聚氨酯弹性体与烃系（PP、PE等）高聚物不同，其分子结构是由软段（低聚物多元醇）和硬段（多异氰酸酯、扩链交联剂等）嵌段而成的，在其大分子之间，特别是硬链段之间的静电力很强，而且常常有大量的氢键生成，这种强烈的静电力作用，除直接影响力学性能外，还能促进硬链段的聚集，产生微相分离，改善弹性体的力学性能和高低温性能。

1、机械性能与结构的关系聚氨酯弹性体的机械性能取决于聚氨酯弹性体的结晶倾向，特别是软链段的结晶倾向，但是，聚氨酯弹性体是在高弹状态下使用的，不希望出现结晶，所以，就需要通过配方和工艺设计，在弹性和强度之间找到平衡，使制备的聚氨酯弹性体在使用温度下不结晶，具有良好的弹性，而在高度拉伸时能迅速结晶，并且这种结晶的融化温度在室温上下，当外力解除后，该结晶迅速融化，这种可逆结晶结构对提高聚氨酯弹性体的机械强度是非常有益的。

聚氨酯弹性体能否具有可逆结晶，主要取决于软链段的极性、分子量、分子间力和结构的规整性。

聚酯的分子极性和分子间力大于聚醚，所以聚酯型聚氨酯弹性体的机械强度大于聚醚型聚氨酯弹性体；软链段中的侧基会使结晶性降低，从而会降低制品的机械性能。

聚氨酯硬链段的结构对聚氨酯弹性体的机械性能也有直接和间接的影响，通常，芳族二异氰酸酯（如MDI、TDI）要大于酯族二异氰酸酯（如HDI）；有对称结构的二异氰酸酯（如MDI）能赋予聚氨酯弹性体更高的硬度、拉伸强度和撕裂强度；扩链交联剂结构对弹性体机械性能的影响与二异氰酸酯相似。

结构对聚氨酯胶粘剂性能的影响
作为胶粘剂的主体材料，聚氨酯的结构与性能对粘接性能有举足轻重的影响
聚氨酯可看成是一种含软链段和硬链段的嵌段共聚物。

软链段由低聚物多元醇组成，硬链段由多异氰酸酯或其与小分子扩链剂组成。

聚氨酯的硬链段起增强作用，提供多官能度物理交联；软链段基体被硬链段相互交联。

聚氨酯的优良性能首先是由于微相区的结果，而不单纯是由于硬链段和软链段之间的氢键所致。

（1）软链段对性能的影响，软链段是由低聚物多元醇构成的，这类多元醇的相对分子质量通常在600~3000之间。

聚酯型PU比聚醚型具有较高的强度和硬度，这归因于酯基的极性大，内聚能比醚基的内聚能高，软链段分子间作用力大、内聚强度较大、力学强度就高。

并且由于酯键的极性作用，与极性基材的粘附李比聚醚型优良，抗热氧化性也比聚醚型好。

软链段的结晶性对最终聚氨酯的力学强度和模量有较大的影响，特别在收到拉伸时，由于应力而产生的结晶化程度越大，拉伸强度越大。

结晶作用能成倍地增加粘接层的内聚力和粘接力。

采用高结晶性据乙二酸丁二醇酯为软链段的高相对分子质量线型PU制成的胶粘剂，即使不用固化剂，也能得到高强度的粘接，并且初粘性好。

而用含侧基的新戊二醇等制得的聚酯结晶性差，但侧基对酯键起保护作用，改善PU的抗热氧化，抗水和抗霉菌性能。

（2）硬链段对性能的影响，硬链段由多异氰酸酯或多异氰酸酯与扩链剂制成。

异氰酸酯的结构对PU材料的性能有很大的影响。

对称二异氰酸酯与不对称二异氰酸酯制备的PU相比，具有较高的磨量和撕裂强度，这归因于产生结构规整有序的相区结构，能促使聚合物链段结晶。

聚氨酯刚度和硬度的关系(二)
聚氨酯的性质与应用
刚度和硬度的关系
•刚度和硬度是聚氨酯材料力学性能中的两个重要指标。

•刚度和硬度两者有一定的关联，但并不完全相同。

聚氨酯的刚度
•刚度是指材料在受力后发生弹性变形能力的大小。

•刚度越高，材料的弹性变形能力越小，即材料越不易发生变形。

•刚度的高低主要由聚氨酯分子结构决定，如分子链的长度、支链的分布等。

聚氨酯的硬度
•硬度是指材料的抵抗外界压力或挤压而表现出来的抗压能力。

•硬度越高，材料越难被压缩或挤压，即材料越坚硬。

•硬度主要取决于聚氨酯的分子间结合力以及分子内部的排列方式和纹理。

刚度和硬度的关系
•聚氨酯的刚度一般与硬度呈正相关关系。

•一般情况下，刚度高的聚氨酯材料也具有较高的硬度。

•刚度和硬度的提高，常常需要通过增加聚氨酯材料的交联度和密度来实现。

解释说明
•聚氨酯的刚度和硬度在一定程度上可以相互影响。

•随着聚氨酯分子链的交联度和分子间结合力的增强，聚氨酯材料的刚度和硬度都会增加。

•但由于刚度和硬度受到的因素复杂，两者之间并非完全线性相关。

•不同的聚氨酯材料制备方法和配方会对刚度和硬度产生不同的影响。

总之，聚氨酯的刚度和硬度是重要的力学性能指标，二者在一定
程度上相关，但并非完全相同。

刚度主要与分子结构相关，而硬度则
取决于分子间结合力和排列方式。

增加交联度和密度可以提高刚度和
硬度。

然而，准确控制刚度和硬度的方法需要考虑聚氨酯的制备方法
和配方的影响。

聚氨酯材料简介第五组：李春斌杨琳燦关凯2014年4月7日聚氨酯材料简介摘要：聚氨酯是一种新兴的有机高分子材料，被誉为“第五大塑料”，因其卓越的性能而被广泛应用于国民经济众多领域。

产品应用领域涉及轻工、化工、电子、纺织、医疗、建筑、建材、汽车、国防、航天、航空等。

本文从聚氨酯的微观结构开始入手分析，得出聚氨酯的主要性能，然后根据这些性能，列举了四个具体的聚氨酯材料的实际应用：鲨鱼皮泳衣、聚氨酯鞋底、聚氨酯涂料和聚氨酯胶黏剂。

关键字：聚氨酯；结构；性能；实际应用聚氨酯是指分子结构中含有许多重复的氨基甲酸酯基团（）的一类聚合物，全称为聚氨基甲酸酯，简称PU。

聚氨酯根据其组成的不同，可制成线型分子的热塑性聚氨酯，也可制成体型分子的热固性聚氨酯。

前者主要用于弹性体、涂料、胶黏剂、合成革等，后者主要用于制造各种软质、半硬质、硬质泡沫塑料。

聚氨酯于1937年由德国科学家首先研制成功，于1939年开始工业化生产。

其制造方法是异氰酸酯和含活泼氢的化合物（如醇、胺、羧酸、水分等）反应，生成具有氨基甲酸酯基团的化合物。

其中以异氰酸酯与多元醇反应为制造PU的基本反应，其反应式为：反应属于逐步加成聚合，反应过程中没有小分子副产物生成。

如异氰酸酯或多元醇之一有三个以上的官能团，则生成立体的网状结构。

一、合成聚氨酯的基本原料合成聚氨酯的基本原料为异氰酸酯、多元醇、催化剂以及扩链剂等。

（1）异氰酸酯异氰酸酯一般含有两个或两个以上的异氰酸酯基，异氰酸酯基团很活泼，可以跟醇、胺、羧酸、水等发生反应。

目前聚氨酯产品中主要使用的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI）、二本基甲烷二异氰酸酯（MDI）和多亚甲基对苯多异氰酸酯（PAPI）。

TDI主要用于软质泡沫塑料；MDI可用于半硬质、硬质泡沫塑料机胶黏剂等；PAPI由于含有三个官能度，可用于热固性的硬质泡沫塑料、混炼以及浇注制品。

（2）多元醇多元醇构成聚氨酯结构中的弹性部分，常用的有聚醚多元醇和聚酯多元醇。

聚氨酯的微相分离结构调控、性能和应用一、本文概述聚氨酯（Polyurethane，PU）作为一种重要的高分子材料，以其独特的微相分离结构和优异的性能，在各个领域中都得到了广泛的应用。

本文旨在探讨聚氨酯的微相分离结构调控、性能及其在各种实际应用中的表现。

我们将首先概述聚氨酯的基本结构和微相分离现象，然后深入探讨调控微相分离结构的方法和手段，接着分析这种调控对聚氨酯性能的影响，并最后展望聚氨酯在各种实际应用中的潜力和挑战。

通过本文的阐述，我们期望能够为聚氨酯的进一步研究与应用提供有益的参考和指导。

二、聚氨酯微相分离结构的基础理论聚氨酯（PU）是一种由异氰酸酯与多元醇反应生成的聚合物，因其独特的结构和性能，在多个领域有广泛的应用。

而聚氨酯的微相分离结构，指的是在聚氨酯中，硬段和软段在分子水平上的分离，这种分离不仅影响聚氨酯的宏观性能，还对其应用产生深远影响。

因此，调控聚氨酯的微相分离结构，对于优化其性能，拓展其应用领域具有重要意义。

微相分离结构的基础理论主要基于软硬段的相容性和相互作用。

在聚氨酯中，硬段主要由异氰酸酯和扩链剂组成，具有较高的内聚能和玻璃化转变温度，赋予聚氨酯强度、硬度、模量等物理性能。

而软段则主要由多元醇组成，具有较低的玻璃化转变温度，赋予聚氨酯柔韧性、耐低温性能等。

软硬段的相容性主要取决于其化学结构、分子量、分子链的极性等因素。

当软硬段之间的相容性较差时，聚氨酯在固化过程中会发生微相分离，形成硬段和软段分别聚集的微观结构。

这种微相分离结构可以显著提高聚氨酯的力学性能和耐热性能，但同时也可能影响其耐低温性能和加工性能。

因此，通过调控聚氨酯的合成条件，如原料种类、配比、反应温度、时间等，可以实现对微相分离结构的调控。

例如，改变硬段和软段的比例，可以影响微相分离的程度和形态；选择不同的扩链剂，可以改变硬段的长度和刚性，从而影响微相分离的结构和性能。

聚氨酯的微相分离结构是其性能和应用的重要影响因素。

第21卷 第2期Vol 21 No 2材 料 科 学 与 工 程 学 报Journal of Materials Science &Engineering总第82期Feb.2003文章编号:1004 793X (2003)02 0211 04收稿日期:2002 07 05;修订日期:2002 10 11基金项目:中国工程物理研究院科学基金资助项目(990563)作者简介:钟发春(1970 ),男,博士,四川简阳人,中国工程物理研究院化工材料研究所助研,从事互穿聚合物网络阻尼材料研究工作。

聚氨酯弹性体的结构与力学性能钟发春,傅依备,尚 蕾,田春蓉,王晓川,赵晓东(中国工程物理研究院化工材料研究所,四川绵阳 621900)摘 要 室温催化合成了一系列不同结构的聚氨酯弹性体,研究了软硬链段的化学结构对聚氨酯弹性体形态结构和力学性能的影响规律,结果表明,由MDI 合成的PU 弹性体的力学性能和阻尼性能优于相应的由TDI 合成的PU 弹性体,对称结构的MDI 易规整排列,提高了力学强度,软硬链段之间的相容性和较强的相互作用有利于提高弹性体的力学性能。

关键词 聚氨酯;弹性体;力学性能;形态结构中图分类号:TQ334 文献标识码:AStructure and Mechanical Properties of Polyurethane ElastomersZHONG Fa chun,FU Yi bei,SHANG Lei,TIAN Chun rong,WANG Xiao chuan,ZHAO X iao dong(Institute of C hem ical M aterials,Chinese Academ y of Eng ineering and Physics,Mianyang 621900,China)Abstract A serials of polyurethane (PU )elastomers with 4,4 methylene diphenyl dii socynat(MDI),tolyene 2,4 diisocyanate(TDI)as hard segments and poly(tetramethylene glycol)(PTMG)with different molecular weight as soft segments were synthesized by cat alyst at room temperature,and the chemical structures of soft segments and hard segments that affected the mechanical properties were also studied.The resul t demonstrated that the mechanical performance and damping properties of MDI PU elastomers were superior to that of TDI PU,because of MDI has symmetrical s tructure and arranged regularly that enhanced the compatibility and in teraction between hard segments and soft segments,and improved the mechanical dampi ng performance.Key w ords polyurethane;elastomer;mechanical performance;structure1 前 言聚氨酯弹性体(polyurethane elastomer)可以看作是一种介于一般橡胶与塑料之间的材料,其最大特点是硬度范围宽而富有弹性,耐磨性卓越,有良好的机械强度、耐油性和耐臭氧性,低温性能也很出色,因此,其用途十分广泛[1~4]。

聚氨酯弹性体的结构和性能特点聚氨酯英文缩写为PU，是由二元或多元异氰酸酯与二元或多元羟基化合物作用而成的高分子化合物的总称，聚氨酯PU根据应用不同填料，有CPU、TPU、MPU等简称。

聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，是主链上含有重复氨基甲酸酯基团的大分子化合物的统称。

其原材料可分为异氰酸酯类(如MDI和TDI)、多元醇类(如PO和PTMEG)和助剂类(如DMF)。

聚氨酯橡胶(UR)是由聚酯(或聚醚)与二异氰酸脂类化合物聚合而成的。

它的化学结构比一般弹性聚合物复杂，除反复出现的氨基甲酸酯基团外，分子链中往往还含有酯基、醚基、芳香基等基团。

UR分子主链由柔性链段和刚性链段镶嵌组成。

柔性链段又称软链段，由低聚物多元醇(如聚酯、聚醚、聚丁二烯等)构成；刚性链段又称硬链段，由二异氰酸酯(如TDI、MDI等)与小分子扩链剂(如二元胺an-元醇等)的反应产物构成。

软链段所占比例比硬链段多。

软、硬链段的极性强弱不同，硬链段极性较强，容易聚集在一起，形成许多微区分布于软链段相中，称为微相分离结构，它的物理机械性能与微相分离程度有很大关系。

UR分子主链之间由于存在由氢键的作用力，因而具有高强度高弹性。

聚氨酯橡胶具有硬度高、强度好、高弹性、高耐磨性、耐撕裂、耐老化、耐臭氧、耐辐射、耐化学药品性好及良好的导电性等优点，是一般橡胶所不能比的；耐磨性能是所有橡胶中最高的，实验室测定结果表明，UR的耐磨性是天然橡胶的3～5倍，实际应用中往往高达l0倍左右；在邵尔A60至邵尔A70硬度范围内强度高、弹性好；缓冲减震性好，室温下，UR减震元件能吸收10 ～20 振动能量，振动频率越高，能量吸收越大；耐油性和耐药品性良好，UR与非极性矿物油的亲和性较小，在燃料油(如煤油、汽油)和机械油(如液压油、机油、润滑油等)中几乎不受侵蚀，比通用橡胶好得多，可与丁腈橡胶媲美；耐低温、耐臭氧、抗辐射、电绝缘、粘接性能良好。

缺点是在醇、酯、酮类及芳烃中的溶胀性较大；摩擦系数较高，一般在0．5以上。