弹性条缝筛网用聚氨酯弹性体的研制

弹性条缝筛网用聚氨酯弹性体的研制
赵　菲　刘锦春　孙学红　王　伟
(青岛科技大学　266042)
摘　要:采用预聚法常压浇注制备煤矿用聚氨酯筛网,考察了聚醚多元醇、甲苯二异氰酸酯异构体种类、预聚体的NCO质量分数、扩链反应温度、后熟化温度及时间等条件对制筛网用的浇注型聚氨酯弹性体体系操作性能及物理性能的影响。

实验表明,采用聚四氢呋喃二醇与聚氧化丙烯二醇的混合二醇(质量比为80∶20),制得的预聚体NCO质量分数控制在4.5%左右;再以MOCA和一种三官能度扩链剂的混合扩链剂进行扩链,制得的浇注型聚氨酯弹性体满足洗煤用筛网的性能要求。

关键词:聚氨酯;弹性体;筛网;洗煤
筛网是煤及各种金属矿石的筛选工艺中主要的部件之一。

由于筛网要在极为苛刻的条件下工作,要求它能耐磨、耐腐蚀,并在工作中保持精确的筛孔尺寸。

因此,过去一直使用不锈钢制作筛网[1]。

但因为不锈钢筛网具有成本高、不耐磨及耐腐蚀性差、使用寿命短、噪音大等缺点,许多涉及筛选工程的矿业部门采用聚氨酯筛网。

聚氨酯弹性体具有高强度、高耐磨、高弹性、高承载、耐腐蚀、噪音低、与金属的粘合力强等优良性能[2],而且重量轻、成型方便。

聚氨酯筛网具有耐磨性好、使用寿命高、筛分质量高、操作环境好、自净能力强、透筛性好、适用范围广(干料、湿料、各种矿石)等特点,因此聚氨酯筛网取代不锈钢筛网和普通橡胶筛网,具有广阔的发展前景。

普通聚氨酯筛网如方孔和圆孔筛网,由于孔的尺寸比较大,因此可以采用胶板冲孔的方法进行生产[3]。

但对于条缝筛网,由于筛孔非常小,且多为上小下大的锥形孔,因此采用传统的模压法和冲孔法难以实施,只能用浇注的方法。

浇注时,为了保证开孔准确率,必须严格控制浇注量,因此选用自制的RRIM机进行浇注。

1　实验部分
1.1　原材料
聚四氢呋喃二醇(PTME G),M n=1000,f=2,工业品,日本进口;聚氧化丙烯二元醇(PP G),牌号Tdiol-1000,M n=1000,f=2,工业品,天津石化三厂;甲苯二异氰酸酯(TDI-100、TDI-80),工业品,德国拜耳公司;3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷(MO-CA),工业品,江苏前进化工厂;二月桂酸二丁基锡(DB TDL),化学纯,天津广成化学试剂有限公司;三官能度醇胺类扩链剂B,化学纯,上海化学试剂厂。

1.2　聚氨酯弹性预聚体的合成
将聚醚多元醇加入反应釜中,于110～120℃下脱水1h左右,然后降温到65～75℃,加入计量的TDI,在65～75℃搅拌反应1.5～2h,然后真空脱气泡,得预聚体(预聚体的NC O质量分数为3.0%～5.5%)。

该预聚体作为A组分加入到RRI M机的A 料罐中,保温待用。

将脱水脱气后的扩链剂和催化剂加入RRIM机的B料罐中,作为B组分保温待用。

1.3　聚氨酯弹性筛网的制备
将A、B组分按照配方中设定的比例打入RRI M 机的混合室中,浇入预热至40～60℃的模具中。

根据筛网的大小设定浇注时间,以控制浇注量。

当到达设定的浇注时间后,停止浇注,合模,于100℃下常压熟化2～3h,冷却20min,脱模,即得聚氨酯弹性筛网样品。

样品于100℃后熟化16h。

聚氨酯弹性筛网的制备工艺流程示意图见图1。

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21
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2002年第17卷第2期2002.Vol.17No.2
聚氨酯工业
POLYURETHANE INDUSTRY
2　结果与讨论
2.1　多元醇对聚氨酯弹性体性能的影响
用聚氨酯弹性体作条缝筛网,对聚氨酯弹性体
的力学性能要求如下:
邵A 硬度85～90拉伸强度≥30MPa 伸长率≥450%永久变形≤10%回弹率≥25%磨耗
≤0.04cm
3
注:阿克隆磨耗指标的测试标准按GB1689-89执行。

除此之外,还要求A 、B 组分混合后的胶料有足够的流动时间(可操作时间)。

尤其是对窄条缝筛,如果可操作时间不够,物料难以充满模具的每一个部位,而且物料中产生的气泡难以在凝胶前排出,最终必将影响成品的外观质量和使用性能。

用PT ME G 和TDI -80制预聚物时,得到的聚氨酯弹性体筛网力学性能均能达到要求,但在具体操作时发现,由该预聚体与扩链剂混合后的流动不是太好,其可操作时间虽可勉强满足工艺要求,但得到的制品收缩率大,以致筛网表面粗糙,外观质量差。

为改善制品的外观,提高成品合格率及降低原料成本,在PTMEG 中加入部分相对分子质量为1000的PP G 。

由于PPG 分子结构中含有侧甲基,破坏了软段分子链的规整度,因而降低了制品的收缩率,制品的表观质量有所提高。

由于PPG 的反应活性低,延长了可操作时间。

在PTMEG 和PPG 的混合聚醚二醇中,PP G 的质量分数对聚氨酯弹性体性能的影响如表1所示。

由表1可以看出,PPG 在混合聚醚多元醇中的质量分数为20%时,预聚体与扩链剂混合胶料的可操作时间有所延长;得到的聚氨酯弹性筛网除永久变形外,其它性能都能达到预期的目标,而且材料的回弹性有所增加,提高了成品合格率。

表1　混合聚醚中PPG 用量对聚氨酯性能的影响
PPG 质量分数/%0510
15
20
25
可操作时间/min
5.05.8
6.26.5
7.07.2
邵A 硬度
908887878686拉伸强度/MPa 38.737.837.136.835.634.7伸长率/%530525500480470465回弹率/%292931323333磨耗/mm 3
262829303232永久变形/%14.0
13.5
13.512.011.010.0
注:可操作时间系手工判定,是与手工浇注操作性能相关的指
标。

2.2　NC O 质量分数对聚氨酯弹性体性能的影响
在聚醚多元醇预聚体合成的过程中,控制NC O 质量分数的大小对聚氨酯弹性体性能影响较大。

随着预聚体NC O 含量的增加,制得的聚氨酯弹性体的硬段含量增加,分子间的作用力加强,弹性体的硬度、拉伸强度都有增大的趋势。

本项试验中控制PTME G 与PPG 的质量比为80∶20,改变TDI -80用量,制备不同NC O 质量分数的预聚体,再以MOC A 为扩链剂制得弹性体,比较不同NC O 质量分数的预聚体对聚氨酯弹性体性能的影响,结果见表2。

表2
预聚体NCO 质量分数对聚氨酯弹性体性能的影响NCO 质量分数/%3.03.54.0
4.5
5.0
5.5
可操作时间/min
7.8
7.5
7.27.06.25.5
邵A 硬度
657278869094拉伸强度/MPa 26.829.533.535.638.842.2伸长率/%530515490480470450回弹率%363736333027磨耗/mm 3
363634323027永久变形/%
13.5
12.0
11.010.010.011.5
由表2可以看出,随着TDI -80用量增加,即NCO 质量分数增加,聚氨酯条缝筛网的硬度和拉伸强度增大,但胶料的可操作时间缩短。

为了能使聚
氨酯弹性条缝筛网性能达到预期指标的要求,保持良好的综合力学性能和操作性,本体系中NC O 质量分数保持在4.5%左右为宜。

2.3　扩链剂对聚氨酯弹性体性能的影响
在合成聚氨酯弹性体的工艺中,若仅使用一种扩链剂,往往不能达到理想的效果。

本实验除采用常规扩链剂MOCA 外,还加入少量三官能度扩链剂
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22· 聚氨酯工业 第17卷
B。

扩链剂B的加入,不仅可以使聚氨酯弹性筛网条在硬度保持不变的情况下,提高强度和回弹性,而且可以降低永久变形。

但是加入扩链剂B后,釜中寿命降低。

综合考虑力学性能和工艺性能,对于手工操作,在满足力学性能的前提下,扩链剂B的用量越少越好。

结果见表3。

表3　MOC A与B的摩尔比对弹性体性能的影响MOCA/B摩尔比6∶15∶14∶13∶12∶1可操作时间/min6.86.55.85.34.5邵A硬度8585868587拉伸强度/MPa37.037.838.239.540.5伸长率/%475475490495505回弹率/%3336384042磨耗/mm33432313129永久变形/%10.09.38.57.56.02.4　TDI种类对聚氨酯弹性体性能的影响
通常TDI多为2,4-/2,6-异构体的混合物,三种常用的TDI分别称为TDI-65、TDI-80和TDI-100。

由于异氰酸酯基团在苯环上的位置不同,使其与活性氢的反应活性也不相同。

一般2,4-TDI中在甲基对位的NC O基的活性比邻位NC O基的活性大得多,所以2,4-TDI中NC O的50%被反应后,反应速度会显著降低[4],这有利于得到分子结构规整、游离NCO质量分数较低的预聚体,而且预聚体的扩链速度比较慢,有利于控制釜中寿命。

将TDI-80、TDI-100分别用于聚氨酯预聚体的合成,以相同的配方,制得的聚氨酯弹性筛网其性能对比见表4。

表4　不同的异氰酸酯种类对聚氨酯弹性体性能的影响
异氰酸酯可操作时间/min邵A硬度拉伸强度/MPa伸长率/%回弹率/%磨耗/mm3永久变形/% TDI-807.08635.847033329.0
TDI-1007.88435.647536308.5
由表4可以看出,与TDI-80相比,用TDI-100制得的预聚体与扩链剂混合后的,胶料的可操作时间稍长,聚氨酯弹性条缝筛网制品的回弹性有所提高,硬度稍低,其它性能相差不大。

由于TDI-100价格较高,所以一般只在手工操作难以搅拌均匀、或者筛网的结构比较复杂,难以流平,需要适当增加操作时间时才使用。

对于RRI M机浇注,使用TDI-80即可满足要求。

2.5　扩链温度对聚氨酯弹性体性能的影响
由于扩链剂MOCA常温下是固体,所以必须选择适当的的扩链温度,若混合体系温度过低,固化剂可能会结晶析出,制品中存在雪花状斑点;若混合温度过高,则反应过快,缩短可操作时间。

表5为A、B 混合扩链时的温度对聚氨酯弹性体性能的影响。

B 组分比A组分高10℃。

表5　A、B组分混合温度对条缝筛网性能的影响A组分温度/℃8090100110
可操作时间/min7.06.86.35.8
邵A硬度85868687
拉伸强度/MPa35.635.535.235.3
伸长率/%470470475475
回弹率/%33343332
磨耗/mm332323132
永久变形/%9.38.59.510.5当A组分温度为70℃,B组分温度为80℃,混合后浇注制得的制品表面、内部有雪花状固体固化剂析出。

由表5可以看出,两组分混合时的适宜温度范围为:A组分温度80～90℃,B组分温度90～100℃。

2.6　后熟化温度对聚氨酯弹性体性能的影响
聚氨酯弹性体固化成型后,后熟化的作用,主要是让各个组分间的反应趋于完全,使弹性体的性能更加完善。

表6是聚氨酯弹性条缝筛网在不同的后熟化温度下熟化16h后性能的比较。

表6　后熟化温度对聚氨酯弹性体性能的影响后熟化温度/℃708090100110
邵A硬度8484868686
拉伸强度/MPa35.235.736.835.535.3
伸长率/%460470475475460
回弹率/%3032333332
磨耗/mm33232292931
永久变形/%119.38.58.59.0
由表6可以看出,提高后熟化温度有利于聚氨酯弹性体性能的提高;但若温度过高、时间过长,易使弹性体产生老化现象,降低性能。

从提高性能和降低能耗考虑,后熟化温度以90～100℃为宜。

2.7　后熟化时间对聚氨酯条缝筛网性能的影响
在预聚体的NC O质量分数为4.5%,以MOC A 为扩链剂,扩链系数95%,混合时A组分温度80℃、B组分90℃的条件下,制得的聚氨酯弹性筛网,在
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第2期 赵菲等·弹性条缝筛网用聚氨酯弹性体的研制
90℃烘箱里进行后熟化,考察不同熟化时间下得到聚氨酯弹性条缝筛网的力学性能,结果见表7。

表7　后熟化时间对聚氨酯弹性体性能的影响后熟化时间/h14161820
邵A硬度84868685
拉伸强度/MPa35.836.636.536.0
伸长率/%460470470475
回弹率/%30333230
磨耗/mm335323233
永久变形/%119.59.09.0
由表7可知,聚氨酯弹性体的拉伸强度随后熟化时间的增加而提高,但增加到一定值后变化很小;而硬度、永久变形、回弹率则随后熟化时间增加,变化很小。

从经济性考虑,聚氨酯弹性条缝筛网的后熟化时间以16h为宜。

3　结论
制作浇注型洗煤用的聚氨酯弹性条缝筛网,最佳的配方和工艺条件为:
a.选用PTME G和PPG混合聚醚多元醇,PTME G 与PPG的质量比以80∶20为宜,预聚体中NC O质量分数控制在4.5%左右。

b.A、B两组分混合时的温度范围以A组分80～90℃、B组分90～100℃为宜。

c.聚氨酯弹性条缝筛网的后熟化温度以90℃～100℃,后熟化时间以14～16h为宜。

参　考　文　献
1　曹军,陈利,姜长春.聚氨酯弹性体在矿山机械中的应用和前景.
聚氨酯工业,1995,(4)∶14
2　秦昭.聚氨酯弹性体在矿山机械上的应用.矿山机械,1990,(1): 27
3　温金翠.聚氨酯驰张筛网的研制.聚氨酯工业,1999,14(3):18
4　山西化工研究所.聚氨酯弹性体手册.北京:化学工业出版社, 2000.97页
收稿日期　2002-03-08 修回日期　2002-04-12
The Study of Polyurethane Elastomers for Mesh Screens
Zhao Fei　Liu Jinchun　Sun Xuehong　Wang Wei
(Qingdao Scienc e and Te chnology University,266042)
A bstract:Polyurethane elastomers for coal-washing screens were prepared by casting method.The factors affecting the operation time(pot life)and mechanical properties of the elastomer were discussed as follows:polyol varieties,free NC O content in prepolymer,chain-extending temperature,post-curing temperature and time.The results sho w that the free NCO content in prepolymer based on blend polyols of PTME G/PPG(at weight ratio of80/20)and toluene diiso-cyanate can be controlled at4.5%,then extended with blend chain-extender,the properties of the polyurethane elas-tomers meet the requir ement of coal-washing screens.
Keywords:screen;polyurethane;elastomer;coal-washing
作者简介　赵菲　女,1968年生,1994年毕业于青岛科技大学(原青岛化工学院)高分子材料专业,获硕士学位。

毕业后一直从事聚氨酯方面的研究,现从事教学与科研工作。

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蓝成根　周国华
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· 聚氨酯工业 第17卷。