工程隔振用聚氨酯微孔彈性體的研制*

郭浩 孫方遒 丁德云 姜志國 邱北斌 姚明

(1.北京九州一軌環境科技股份有限公司國家環境保護城市軌道交通振動與噪聲控制工程技術中心(籌) 北京100071)(2.北京化工大學材料科學與工程學院 北京100029)

聚氨酯微孔彈性體是性能介于彈性體和泡沫材料之間的一種材料，兼顧有泡沫質輕、耐沖擊性好、吸能、緩沖性能好和彈性體強度高、耐磨性好的特點[1-3]。 在隔振方面，聚氨酯微孔彈性體對沖擊能量的吸收率能達到75%～95%[4]，具有優異的沖擊吸收性能，配合其高強度、高耐磨等特性，可以作為優異的隔振材料[5]。 應用于軌道、建筑、橋梁等工程領域中的隔振材料需要具有較低的壓縮永久變形率、合適的靜剛度和較低的動靜剛度比。

本實驗采用半預聚體法制備了不同硬段含量的聚氨酯微孔彈性體，研究了密度和硬段含量對彈性體材料拉伸性能、壓縮性能、靜剛度和動靜剛度比的影響，為隔振用聚氨酯微孔彈性體的工程應用提供理論支撐。

1 實驗部分

1.1 主要原料與設備

改性MDI(MM103C)、HDI 三聚體(HI100)，德國巴斯夫公司；組合聚醚多元醇(YZ-2101，Mn＝3 700)，一臻(固安)新材料科技有限公司；聚合物多元醇POP-36/28、聚醚多元醇330N，山東東大化學工業(集團)公司；3，3'-二氯-4，4'-二氨基二苯基甲烷(MOCA)，蘇州湘園新材料有限公司；1，4-丁二醇(BDO)，天津光復精細化工研究所；有機胺催化劑A15、泡沫穩定劑D100，臨沂京瑞新材料科技有限公司；發泡劑HCFC-141b，山東臨沂斯科瑞聚氨酯有限公司。 以上均為工業級。 純凈水，市售。

ME2200E 型電子天平，梅特勒托利多(中國)有限公司；RS-20S 型反應釜，鄭州博匯精密科技有限公司；BL(F)-15 型聚氨酯澆注機，青島億雙林聚氨酯設備有限公司；CMT4304 型萬能試驗機，深圳新三思儀器有限公司；UD-3600-A25T 型動靜剛度比測試儀，臺灣優肯科技有限公司；ST-8MF 型壓縮永久變形測試儀，廣東鷺工精密儀器有限公司。

1.2 試樣制備

計量YZ-2101 加入反應釜中，在100 ～120 ℃下真空脫水2～3 h，檢測水分＜0.1%后，停止脫水并降溫至40 ～70 ℃，然后計量加入MM103C 和HI100，在80 ～100 ℃反應3 ～5 h，得到NCO 質量分數為20%的半預聚體，即為A 組分。

依次計量加入POP-36/28、330N、MOCA、BDO、純凈水、HCFC-141b、D100 和A15 于反應釜中，在室溫～50 ℃混合1～3 h，得到B 組分。

將A、B 組分分別加入澆注機料桶中，原料恒溫40～45 ℃，模具溫度50～70 ℃。 啟動澆注機，將A、B 組分按照異氰酸酯指數1.03 計量、混合后澆注入模具中，閉合模具，混合料發泡成型。 固化30 ～60 min 后，打開模具，清理飛邊，得到不同密度的聚氨酯微孔彈性體，室溫后熟化7 d 以后進行性能測試。

1.3 分析與測試

拉伸強度和斷裂伸長率參照GB/T 10654—2001 測試，拉伸速度100 mm/min；壓縮永久變形率參照GB/T 10653—2001 測試，壓縮厚度的50%；靜剛度及動靜剛度比參照文獻[2]進行測試。

2 結果與討論

2.1 密度對聚氨酯微孔彈性體性能的影響

密度是影響聚氨酯微孔彈性體性能的重要因素。 控制物料填充率(等同于模具內發泡密度與自由發泡密度的比值)為2.0 ～2.5，通過調整HCFC-141b 用量得到不同密度的聚氨酯微孔彈性體，其拉伸強度和斷裂伸長率隨密度的變化如圖1 所示。

圖1 密度對拉伸強度和斷裂伸長率影響

由圖1 可以看出，當密度在200 ～600 kg/m3之間時，隨著密度的增加，拉伸強度和斷裂伸長率增長速度較快；當密度大于600 kg/m3，拉伸強度和斷裂伸長率增長速度變慢。 這是因為當原料種類用量和模具填料比確定的情況下，密度較低時，單位體積內的原料含量小，材料抵抗外力的能力差，此時拉伸強度和斷裂伸長率也較??；隨著密度的增加，材料抵抗外力的能力增強，拉伸強度和斷裂伸長率隨之增大并逐漸趨于穩定。

2.2 硬段含量對聚氨酯微孔彈性體性能的影響

控制彈性體密度為600 kg/m3，研究硬段含量對拉伸性能、壓縮永久變形、靜剛度和動靜比的影響。

2.2.1 硬段含量對拉伸性能的影響

硬段含量對拉伸強度和斷裂伸長率的影響如圖2 所示。

圖2 硬段含量對拉伸強度和斷裂伸長率的影響

由圖2 可見，硬段質量分數30%～60%時，隨著硬段含量增加，材料拉伸強度由2.3 MPa 增大至7.5 MPa，斷裂伸長率由320%減小至160%。 分析認為，硬段含量增加，使得材料內部分子間作用力增大(氫鍵增多)，同時使得硬段微區尺寸增大、數量增多，硬段微區的物理交聯作用增強，增大了分子鏈抵抗外力作用的能力，也增加了分子鏈運動的約束作用[6]。 因此，材料的拉伸強度隨硬段含量的增加逐漸增大，斷裂伸長率隨硬段含量的增加逐漸減小。

2.2.2 硬段含量對壓縮永久變形的影響

硬段含量對聚氨酯微孔彈性體壓縮永久變形的影響如圖3 所示。

圖3 硬段含量對壓縮壓縮永久變形的影響

由圖3 可以看出，當硬段質量分數由30%增加至40%時，壓縮永久變形由10%減小至6.5%，當硬段質量分數繼續增大至60%時，壓縮永久變形由6.5%增加至17%。 這是因為當硬段質量分數低于40%時，材料模量較低，分子間作用力相對較弱，同樣形變的應力值低，隨著硬段含量增加，可提供更多物理交聯點，減少整個分子鏈重心位移，降低壓縮永久變形率；而當硬段質量分數大于40%時，材料模量較大，分子間作用力增強[7]；形變增加時，受到的應力較大，分子重心更易偏移，壓縮永久變形率隨著硬段含量的增加而逐漸增大。

2.2.3 硬段含量對靜剛度的影響

靜剛度是材料在靜載荷下抵抗變形的能力，硬段含量對聚氨酯微孔彈性體靜剛度的影響見圖4。

圖4 硬段含量對靜剛度的影響

由圖4 可以看出，靜剛度隨硬段含量的增加呈現線性增大，硬段質量分數60%的聚氨酯微孔彈性體的靜剛度比30%的增大了105%。 結合圖2 結果可知，隨著硬段含量的增加，拉伸強度增大，斷裂伸長率減小，表明分子鏈柔順性降低，剛性增加，使得材料在靜載荷下抵抗變形的能力增大，靜剛度增大[8]。

2.2.4 硬段含量對動靜剛度比的影響

硬段含量對動靜剛度比的影響如圖5 所示。

圖5 硬段含量對動靜剛度比的影響

由圖5 可以看出，動靜剛度比隨硬段含量的增加先減小后增大，當硬段質量分數為40%時，動靜剛度比達到最小值1.22。 聚氨酯微孔彈性體可以看成彈簧(空氣)和粘壺(聚氨酯)的并聯體，在周期性加載過程中，能量損耗主要由聚氨酯高分子鏈段運動弛豫和空氣與泡孔壁摩擦導致[8-9]。 在密度相同的條件下，動靜剛度比的變化主要受高分子鏈段弛豫影響。 隨著硬段含量的增加，體系交聯程度增加，材料硬度增大、抵抗外界變形能力增強，動剛度和靜剛度均增大，但當硬段含量較低(質量分數小于40%)時，動剛度增大幅度小于靜剛度增大幅度，所以此時動靜剛度比隨著硬段含量的增加而減??；而當硬段含量較高(質量分數大于40%)時，動剛度增大程度大于靜剛度增大程度，所以此時動靜剛度比隨著硬段含量的增加而增大。

3 結論

(1)隨著材料密度的增加，聚氨酯微孔彈性體拉伸強度、斷裂伸長率逐漸增大。

(2)隨著硬段含量的增加，聚氨酯微孔彈性體的拉伸強度和靜剛度逐漸升高，斷裂伸長率逐漸減小。 在硬段質量分數為40%時，壓縮永久變形率最低，動靜剛度比達到最小值1.22。