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NDI型聚氨酯弹性体动态生热性能研究

NDI型聚氨酯弹性体动态生热性能研究简介

NDI型聚氨酯弹性体因其优异的力学性能、耐磨性和耐热性，被广泛应用于*速运转或*负载条件下的工业领域，如辊筒、轮胎、缓冲垫等。然而，在动态负载作用下，材料内部由于滞后效应产生的热量积累（即动态生热）会显著影响其使用性能和寿命，因此对NDI型聚氨酯弹性体的动态生热性能进行研究具有重要意义。

通过对材料结构与动态生热之间的关系分析，本研究为优化NDI型聚氨酯弹性体的配方设计和应用性能提供了理论依据和技术支持，有助于其在*动态工况下的长效稳定应用。

（1.中国兵器工业集团第五三研究所济南250031）（2山东贺友集团禹城251200） （3.济南普恩聚氨酯有限公司250032）

摘要：采用1,5萘二异氰酸酯(NDI、己二酸乙二醇丙二醇酯二醇（PEPA）等原料合成了一种新 型耐热的聚氨酯弹性体。通过动态力学性能测试（DMA）和压缩疲劳温升试验，对ND型聚氨酯弹 性体的动态性能进行了分析研究，并与TD型聚氨酯弹性体进行了比较。结果表明，ND型聚氨酯 弹性体损耗因子小、储能模量大、阻尼小、动态生热低，耐热性能比TD型聚氨酯弹性体好。 关键词：NDI聚氨酯弹性体：动态生热

聚氨酯弹性体是田低聚物多元醇、二异氰酸酯 和扩链剂组成，可分为浇注型、混炼型、热塑型、反应 注射成型、溶液分散型和喷涂型等6种类型的弹性 体材料。其作为一种合成*分子材料，与其它*分 子材料相比，具有自己独特的综合性能，如*强度、 *模量、*伸长率、硬度范围宽、耐油性能优异、耐低 温和耐臭氧老化，其耐磨性能更是突出，因此又俗称 耐磨橡胶”[.2。现已在国防、轻纺、交通、油田 机械、建筑、医疗和体育等领域得到了广泛的应用。 从20世纪60年代开始，世界上许多工业发达 国家开始研究将浇注型聚氨酯弹性体用于制造轮胎 和履带车辆的行动系统13~6。近几年来，我国也开 始了将聚氨酯弹性体应用于履带式车辆的行动系统 的研究工作”。由于现代履带式车辆的功率增大、 车速增快、路况复杂等原因，决定了其行动系统往往 要承受复杂的动态载荷，这就要求材料不仅要有好 的力学性能和耐热性能，而且还要具有优异的动态 性能和低的动态生热特性。由于聚氨酯弹性体分子 结构中极性基团较多，分子内力和分子间的作用力 较大，再加上可能存在的其它妨碍单键自由旋转的 因素，使得聚氨酯弹性体的应力应变不能瞬时达到 平衡，在交变应力作用下表现为滞后现象，造成内生 热，严重影响制品的使用性能。所以，在制备特 殊需要的制品时，选择原料很重要。 ND提*熔点芳香族二异氰酸酯，具有刚性芳 香族萘环结构，其动态疲劳性能和耐磨性能优

异。本实验以NDI为硬段，聚酯多元醇为软段 小分子多元醇为扩链剂，制备了新型耐热聚氨酯弹 性体，并对其动态性能和动态生热进行了分析研究

称取一定量的PEPA，在110~120°C0.13kPa 真空度下脱水2h。加入计量好并研磨细的NDI在 快速搅拌下反应30min，然后降温至80～90°Q再反 应2h。取样分析，当NCO含量与设计值相符时，脱 泡30min.停止反应，即得ND型预聚物。 以脱水后的BDO为交联剂，取一定量的预聚物 和交联剂搅拌均匀，浇注在120°G预热好的模具上 在真空硫化机上120°C硫化3h.然后在烘箱110

中处理8h.即得ND型聚氨酯弹性体试样

称取一定量的PEPA，在110～120°C，013kP& 真空度下脱水2h。降温至40～50°℃，加入计量好 的TDI搅拌升温至（80±5）°C,反应2h。取样分 析，当NCO含量与设计值相符时，脱泡30min，停止 反应，即得TD型预聚物。 以MOCA为交联剂，取一定量的预聚物和熔化 后的交联剂搅拌均匀，浇注在120°C预热好的模具 上，在真空硫化机上120°G硫化3h，然后在110°C烘 箱中处理8h.即得TD型聚氨酯弹性体试样。

采用德国Netmsch公司的DMA242型动态热机 械分析仪对ND型和TDI型聚氨酯弹性体试样进 行动态力学性能测试其结果见图1图2和表1。

图1 TD型和ND型弹性体损耗因子与温度关系

图2TD型和ND型弹性体储能模量与温度关系

表1不同温度下的2种类型弹性体损耗因子和储能模量

从图1图2和表1中可以看出，在0C以上的 相同温度下，TD型弹性体的损耗因子比ND型的 要大，而TDI型弹性体的储能模量要比NDI型的 小。也就是说，在软段相同的情况下，TD型弹性体 的阻尼性要比ND型的大，即TD型弹性体的内生 热大于ND型弹性体。这可能有以下两方面的原 因，一方面是NDI分子结构特点决定的，NDI具有对 称的分子结构，分子运动阻力小，减少了内生热；另 一方面是来自弹性体微相分离结构的影响，萘环的 内聚能大于苯环，使硬段容易团聚；同时由于使用不 同种类的扩链剂，在扩链时，ND型弹性体形成氨基 甲酸酯基，而TD型则形成脲基，ND型弹性体的氢 键作用小于TD型的，因此，ND型弹性体更易形成 微相分离.使弹性体的动态性能更好

压缩疲劳试验是描述其内生热的*直观的方 法，在交变应力作用下，内生热越少的弹性体，其温 升越小。由于聚氨酯弹性体分子结构中极性基团较 多，分子内力和分子间存在的作用力较大，再加上可 能存在的其它妨碍单键自由旋转的因素，使聚氨酯 弹性体的应力应变不能瞬时达到平衡，从而表现出 *聚物的粘弹性，在交变应力作用下，表现为滞后现 象。滞后现象产生内生热，使弹性体的温度升*。 本研究在80°C下，对ND型聚氨酯弹性体试样 进行了压缩疲劳试验，并在同条件下与TD型聚氨 酯弹性体进行比较。试验结果见表2和图3。

图380°时温升与压缩时间的关系

从表2和图3可知，在试验刚开始时2种弹性 体的温度急剧升*，大概在10～20min左右温升达 到**值，TD型弹性体为100℃C，而ND型弹性体 为99℃.且TDI型弹性体在**温度的时间长于 ND型弹性体，即在相同条件下，TD型弹性体的内 生热大于ND型弹性体，这与动态力学性能测试的 结果相一致。从试样*度的保持率来看，TD型弹 性体为93.2%，NDI型弹性体为95.2%，NDI型弹 性体的塑性变形小，回弹性能好，从而也说明了ND 型弹性体的动态性能要优于TD型弹性体。

（1）动态力学性能测试显示，在相同温度下 ID型弹性体的损耗因子比ND型的要大，TD型 弹性体的储能模量要比ND型弹性体的小很多、因

甄建军等·ND型聚氨酯弹性体动态生热性能研究

此ND型弹性体的内生热小于TD型弹性体。 (2)压缩疲劳试验证明了ND型弹性体的内生 热小于TD型弹性体，且ND型弹性体的耐热性能 要优于TD型弹性体；ND型弹性体具有优异的动 态疲劳性能，是制造要求内生热低、耐热性能好、硬 度*、回弹性及耐磨性能好的聚氨酯制品的优选硬 段材料

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