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《中国工程物理研究院》 2001年
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聚氨酯/聚硅氧烷IPN阻尼弹性体研究

钟发春  
【摘要】: 本论文室温催化合成了聚硅氧烷、聚氨酯阻尼弹性体、以及一系列不同结 构和组成比例的聚氨酯/聚硅氧烷IPN体系,分析了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的 力学性能和动态力学性能。 用FTIR研究了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的化学结构和固化反应动力学, 用TG-IR联用技术研究了聚硅氧烷、聚氨酯和IPN的耐热性及在无氧条件下的 热裂解产物、热分解反应动力学和热分解机理。用SEM和AFM分析了聚硅氧 烷、聚氨酯的形态结构,并首次用SEM、AFM和XPS相结合的方法研究了聚 氨酯/聚硅氧烷IPN的内部和表面形态结构及元素分布。研究了化学结构对聚硅 氧烷、聚氨酯形态结构和性能的影响,以及聚合物化学结构和组成比例对聚氨 酯/聚硅氧烷IPN的形态结构和性能的影响规律。 FTIR测定聚硅氧烷、聚氨酯的室温催化固化反应为二级反应,反应速率常 数为分别为2.05×10~(-2)g(mol·min)~(-1)和1.73×10~(-1)g(mol·min)~(-1),活化能分别为76.59 KJ·mol~(-1)和22.7KJ·mol~(-1)。聚氨酯/聚硅氧烷IPN中聚氨酯的交联反应仍为二级反 应,只是聚硅氧烷的存在大大降低了聚氨酯网络的交联速率,并增加了反应活 化能。形成IPN后,聚氨酯网络和聚硅氧烷网络之间没有化学键形成,证实聚 氨酯/聚硅氧烷体系为互穿复合体系。 含少量苯基(16%)的聚二甲基硅氧烷具有最佳的阻尼性能。用SEM观察 了聚硅氧烷的形态结构,并用原子力显微镜(AFM)观察了含少量苯基(16%) 的聚二甲基硅氧烷的表面形态结构,确定含苯基与含甲基的聚硅氧烷链段的相 容性差异是导致微相分离的原因,也正是微相分离结构拓宽了聚硅氧烷的玻璃 化转变区域。 在无氧条件下,苯基的存在并不能提高聚硅氧烷的耐热性,三聚体(D_3) 为聚硅氧烷热分解的主要产物。用Freeman-Carroll法计算了聚硅氧烷的热分解 反应级数和活化能,探讨了聚硅氧烷的热裂解机理。 由MDI合成的PU弹性体的力学性能(PU2的Ts=33.5,E=508.6%)和阻 尼性能优于相应的由TDI合成的PU弹性体,以PEG合成的PU弹性体力学性 能最差,但有良好的阻尼性能。这与聚醚软段与硬段的结构和相互作用有关, 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阻尼性能。 聚醚分子量和硬段结构对聚氨酯弹性体的形态结构有很大影响,原子力显 微镜(AFM)分析发现软段结构易分布在聚氨酯表面,只有极少量的硬段结构 凸出于表面。 聚醚分子量对聚氨酯弹性体的热稳性没有明显影响,在无氧条件下聚氨酯 弹性体的主要裂解产物为C02、异氰酸酷、四氢吠喃和醇、酉旨类等化合物,用 Freeman一C~n法计算了聚氨酷的热分解反应级数和活化能,提出了聚氨醋弹 性体的裂解机理。 由较低分子量的聚氨酷、聚硅氧烷齐聚物室温催化合成了不同结构和组成 比例的一系列聚氨酷/聚硅氧烷IPN体系。对IPN体系的力学性能和动态力学性 能研究表明,所有的IPN体系均具有阻尼弹性体的特征,并表现出较为单一的 玻璃化转变温度。不同结构和组成的聚氨酷、聚硅氧烷对IPN的力学性能和动 态力学性能有不同影响,以PUZ护52 IPN(Ts料1 .57,E=376%)和PUZ用S31PN (Ts=46.04,E=4 30%)具有最佳的力学性能和阻尼性能,上述结论未见文献报道。 作者认为,由齐聚物在室温交联形成IPN可以较有效地阻止IPN的进一步相分 离。 聚合物的组成比例对IPN的形态结构有较大的影响,在聚二甲基硅氧烷中 引入少量的苯基侧基有利于改善与聚氨酷的相容性,使IPN形成更细微的微相 分离结构。聚醚分子量的变化改变了聚氨酷的软硬链段比例和网络交联密度, 对IPN的形态结构和性能有很大的影响。XPS研究发现,IPN中的主要元素C、 N、si、O在IPN的表面和内部的分布是不均匀的,聚硅氧烷趋向于分布在IPN 的表面,这种分布与IPN的内部形态结构没有相关性。 研究发现,聚硅氧烷的加入对IPN的热稳定性有所改善,分析IPN的热裂 解产物与纯聚氨醋和聚硅氧烷的热裂解产物一致,确认IPN中聚氨酷和聚硅氧 烷在无氧条件下的热裂解机理没有发生变化。 萃取实验表明,聚氨酷/聚硅氧烷IPN具有比聚氨酷更良好的耐溶剂性,溶 出物的IR分析表明,IPN中的可溶物为聚合度较小的聚氨酷和聚硅氧烷低分子 物质。 以上研究结果表明,聚氨酷/聚硅氧烷IPN由于具有高强度阻尼弹性体的力 学特征和优良的耐热、耐溶剂性,同时,独特的表面结构提高了IPN材料的耐 候性和环境适应性,使其具有潜在的应用价值。
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