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阻尼聚氨酯弹性体的制备及性能研究

刘晓文  
【摘要】:随着现代化工业的飞速发展,振动和噪声带来的问题愈发突出,传统措施已经很难达到人们的要求。阻尼技术通过阻尼材料将动能转化为变形过程中的热能耗散掉的原理,降低结构共振幅度,减小噪声,延长使用寿命,具有较好的应用前景。聚氨酯材料原料种类多,配方设计灵活,性能可调整范围广,又兼具高承载性、高耐磨性及耐低温性等特点,成为国内外最有研究价值的阻尼材料,在多个领域尤其在建筑减震、交通阻尼等方面有很大的研究价值,比如可以作为桥梁支座的缓冲材料,承受载荷,减少震动,保护支架结构。目前国内主要是依靠橡胶作为板式桥梁支座的减振缓冲材料,通过实验研究,聚氨酯弹性体阻尼材料有望替代橡胶,弥补国内该领域的研发空缺。本课题首先使用预聚体法制备浇注型聚氨酯弹性体,从软、硬段两方面系统地研究了软段种类、软段分子量,硬段异氰酸酯种类、扩链剂种类、硬段含量以及微球的种类和用量(包括有机空心微球和无机玻璃空心微球)对聚氨酯弹性体性能的影响。其次,在研究弹性体性能的基础上,本课题还采用热重分析法对聚氨酯弹性体试样的使用寿命进行了预测。研究发现:(1)改变软段多元醇种类发现:当选择聚醚多元醇PTMG时,样品具有优异的拉伸强度、耐水解性、耐低温性和耐霉菌性,良好的老化性能和阻尼性能,综合性能较优。改变软段多元醇分子量发现:聚酯PUE力学性能随分子量增加而增加,聚醚PUE力学性能随分子量增加而降低。不论聚酯型还聚醚型,随着多元醇分子量增加,试样的耐水解性能、耐低温性能、耐霉菌性能提高,热空气老化性能和阻尼性能降低。综合考虑,选用分子量1000的PTMG,综合性能最优。(2)改变异氰酸酯种类发现:异氰酸酯对PUE的耐低温和耐霉菌性能影响不大;MDI和TDI合成的样品具有良好的力学性能、耐热老化性能和阻尼性能,TDI稍次于MDI。改变扩链剂种类发现:扩链剂对PUE的耐霉菌性能影响不大;胺类扩链剂扩链的试样力学性能和耐热老化性能优于醇类,且内耗大,阻尼性能好,DMTDA扩链的试样综合性能最好。改变硬段含量发现:试样的拉伸强度、撕裂强度和硬度随着硬段含量的增加而提高,拉断伸长率、弹性和压缩永久变形则相反。随着硬段含量的增加,试样的耐热老化性能提高,耐低温性能下降,耐霉菌性能先提高后降低,损耗因子在低温区随着硬段含量的增加逐渐降低,在高温区又随着硬段含量的增加而增大。整体来说,硬段含量为32%时试样的综合性能最佳。(3)改变有机空心微球种类发现:加入微球后试样的力学强度下降,未发泡微球的下降幅度小于发泡微球,未发泡AK46-40的力学性能最好,发泡AK46-40的试样损耗因子较高。综合来看,未发泡AK46-40试样的分散性、力学性能和阻尼性能较好。改变有机空心微球用量发现:随着微球用量在0.5%~3%内增加,试样的拉伸强度、拉断伸长率和撕裂强度降低,储能模量、损耗模量和损耗因子也降低。有机微球用量为1%时,试样的综合性能最好。(4)改变玻璃空心微球种类发现:微球H32、H40和S60的分散情况均较好,而微球N60有团聚现象,加入微球后,样品的拉伸强度和撕裂强度显著降低,其中,S60影响最小,N60影响最大。试样的储能模量和损耗模量降低,损耗因子增大,其中,N60和S60损耗因子较大。综合来说,S60的分散性、力学性能和阻尼性能较好。改变玻璃空心微球用量发现:在0.5%~3%范围内,随着玻璃空心微球S60用量的增加,样品拉伸强度和撕裂强度下降的程度增大,硬度增加;试样的储能模量降低,损耗因子先降低后增大,微球用量为1%和3%时损耗因子较大。综合考虑,玻璃空心微球加入量为1%时,试样的整体性能最好。(5)改变硅烷偶联剂种类发现:在偶联剂KH550、KH560、KH590和KH792作用下,S60的分散性均较好;使用KH560和KH590的试样拉伸强度、撕裂强度和硬度提高,尤其是KH560的试样性能改善最为明显;加入偶联剂的试样损耗因子变化不大,说明偶联剂对材料的阻尼性能影响较小。(6)采用4种升温速率对聚氨酯弹性体进行热失重分析实验,通过Arrhenius方程和Kissinger方法拟合出试样在降解5%时的动力学参数,分别为活化能E=101.78KJ/mol、反应级数n=2.84、指前因子A=e~(18.17),将上述参数代入推导方程得到试样使用寿命与温度的关系式为:lnt_f=12242/T-21.09,通过关系式能够对不同温度下试样的使用寿命进行预测。经计算可知,该试样在50℃下使用寿命为16年,70℃下使用寿命为4.2年,100℃下使用寿命不超过3个月。


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