聚氨酯弹性体的特性及应用

聚氨酯弹性体的特性与应用 1. 聚氨酯弹性体的特性 聚氨酯弹性体的综合性能出众，任何其他橡胶和塑料都无与伦比。而且聚氨酯弹性体可根据加工成型的要求进行加工，几乎能用高分子材料的任何一种常规工艺加工，如混炼模压、液体浇注、熔融注射、挤出、压延、吹塑、胶液涂覆、纺丝和机械加工等。聚氨酯弹性体的用途十分广泛，产品几乎遍及多用领域。 聚氨酯弹性体综合性能出众，主要表现在弹性体兼备了从橡胶到塑料的许多宝贵特性。 （1）硬度范围宽。而且在高硬度下仍具有良好的橡胶弹性和伸长率。 （2）强度高。在橡胶硬度下他们的拉伸强度和撕裂强度比通用橡胶高得多；在塑料硬度下，他们的冲击强度和弯曲强度又比塑料高得多。 （3）性能的可调节范围大。多项物理机械性能指标均可通过对原材料的选择和配方的调整，在一定范围内变化，从而满足用户对制品性能的不同要求 （4）耐磨。有“耐磨橡胶”的佳称。特别是在有水、油等润湿介质存在的工作条件下，其耐磨性往往是普通橡胶材料的几倍到几十倍。金属材料如钢铁等虽然很坚硬，但并不一定耐磨，如黄河灌溉区的大型水泵，其过流部件金属口环和保护圈经过大量泥沙的冲刷，用不了几百小时就严重磨损漏水，而采用聚氨酯弹性体包覆的口环和保护圈则连续运行1800小进仍未磨损。其它如碾米用的砻谷机胶辊、选煤用的振动筛筛板、运动场的径赛跑道、吊车铲车用的动态油密封圈、电梯轮和旱冰鞋轮等等也都是聚氨酯弹性体的用武之地。在此需提到的一点是，要提高中低硬度聚氨酯弹性体制件的摩擦系数，改善在承载负荷下的耐磨性能，可在这类聚氨酯弹性体中添加少量二硫化铝、石墨或硅油等润滑剂。 （5）耐油。聚酯型聚氨酯弹性体的耐油性不低于丁腈橡胶，与聚硫橡胶相当。 （6）耐臭氧性能优良。 （7）吸震、抗辐射和耐透气性能好。 （8）加工方式多样，适用性广泛。聚氨酯弹性体既可跟通用橡胶一样采用塑炼、混炼、硫化工艺成型(指MPU)；也可以制成液体橡胶，浇注模压成型或喷涂、灌封、离心成型(指CPU)；还可以制成颗粒料，与普通塑料一样，用注射、挤出、压延、吹塑等工艺成型(指CPU)。模压或注射成型的制件，在一定的硬度范围内，还可以进行切割、修磨、钻孔等机械加工。加工的多样性，使聚氨酯弹性体的适用性十分广泛，应用领域不断扩大。 这些优点正是聚氨酯弹性体在军工、航天、声学、生物学等领域获得广泛应用的原因。 聚氨酯弹性体的不足方面： （1）内生热大，耐高温性能一般，特别是耐湿热性能不好。正常使用温度范围是-40~120℃使用。若需在高频振荡条件或高温条件下长期作用，则必须在结构设计或配方上采取相应改性措施。 （2）不耐强极性溶剂和强酸碱介质。在一定温度下，醇、酸、酮会使聚氨酯弹性体溶胀和降解，氯仿、二氯甲烷、二甲基甲酰胺、三氯乙烯等溶剂在常温下就会使聚氨酯弹性体溶胀 下面详细介绍聚氨酯弹性体的主要性能。 1.1硬度 普通橡胶的硬度范围为邵A20至邵A90，塑料的硬度范围约为邵A95至邵D100，而聚氨酯弹性体的硬度范围低至邵A10，高至邵D80，并且不需要填料的帮助。尤其可贵的是弹性体在塑料硬度下仍具有良好的橡胶弹性和伸长率，而普通橡胶只有靠添加大量填料，并以大幅度降低弹性和延伸率作为代价才能获得较高的硬度。据报道，当硬度高于75D时，其弹性将严重损失，当硬度高于85D时，就不成弹性材料了。

1.2机械强度 聚氨酯弹性体的机械强度高，表现在杨氏模量、撕裂强度和承载力等方面。 1.2.1 杨氏模量和拉伸强度 在弹性限度内，拉伸应力与形变之比叫做杨氏模量（E）或者成为弹性模量。 聚氨酯弹性体和其他弹性体一样，只有在低伸长时（约2.5%）才遵循胡克定理。但是它的杨氏模量要比其他弹性体高得多。而且聚氨酯弹性体的杨氏模量范围遍及橡胶和塑料，范围之宽，其他材料无可比拟。 1.2.2 撕裂强度 聚氨酯弹性体的撕裂强度很高，尤其是聚酯型，约为天然橡胶的2倍以上。 1.2.3 承载能力 虽然在低硬度下聚氨酯弹性体的压缩强度也不高，但是聚氨酯弹性体可以在保持橡胶弹性的前提下提高硬度，从而达到很高的承载能力。而其他橡胶的硬度受到很大的局限，所以承载能力无法大幅度的提高。

1.3耐磨性能 聚氨酯弹性体的耐磨性能非常突出，测试结果一般在0.03～0.20mm3/m范围内，约为天然橡胶的3～5倍。实际使用中，由于润滑剂等因素的影响，其效果往往更好。耐磨性与材料的撕裂强度和表面状况等关系很大。聚氨酯弹性体的撕裂强度比其他橡胶高得多，但是他本身的摩擦系数并不低，一般在0.5以上，这就需要在实际使用中注意添加油类润滑剂，或加少量二硫化钼或石墨、硅油、四氟乙烯粉等，以降低摩擦系数，减少摩擦生热。此外，摩擦系数还与材料硬度和表面温度等因素有关。在所有情况下，摩擦系数都随硬度的降低而提高，随表面温度的升高而上升。约60℃达到最大值。

1.4耐油和耐药品性能 聚氨酯弹性体，特别是聚酯型聚氨酯弹性体，是一种强极性高分子材料。和非极性矿物油的亲和性小，在燃料油（如煤油、汽油）和机械油（如液压油、机油、润滑油等）中几乎不受侵蚀，比通用橡胶好的多，可以与丁腈橡胶媲美。但是，在醇、酯、酮类及芳烃中溶胀较大，高温下逐渐破坏。在卤代烃中溶胀显著，有时还发生降解。聚氨酯弹性体浸在无机物溶液中，如果没有催化剂的作用，和浸在水中相似。在弱酸、弱碱溶液中降解比在水中快， 强酸强碱对聚氨酯的浸蚀作用更大。 聚氨酯弹性体在油中的使用温度为110℃以下，比空气中的使用温度高。但是，在多工程应用中，油总是被水污染的。试验表明，只要油中含有0.02%的水，水几乎可全部转移到弹性体中，这时，使用效果就会发生显著差异。 1.5耐水性能 聚氨酯弹性体在常温下的耐水性能是好的，一二年内不会发生明显水解作用，尤其是 聚丁二烯型、聚醚型和聚碳酸酯型。通过强化耐水试验，用外推法得出，在25℃的常温水中，拉伸强度损失一半所需要的时间，聚酯型弹性体（聚己二酸乙二醇丙二醇酯-TDI-MOCA）为10年，聚醚型弹性体（PTMG-TDI-MOCA）为50年，即聚醚型为聚酯型的5倍。

1.6耐热和耐氧化性能 聚氨酯弹性体在惰性气体（如氮气）中的耐热性能尚好，常温下耐氧和耐臭氧性能也很好，尤其是聚酯型。但是高温和氧的同时作用就会加快聚氨酯的老化进程。一般的聚氨酯弹性体在空气中长时间连续使用的温度上限是80-90℃，短时间使用可达到120℃，对热氧化变现出现显著影响的温度约为130℃。按品种来说，聚酯型的耐热氧化性能比聚醚型的好。在聚酯型中，聚己二酸己二醇酯型的好于一般聚酯型。在聚醚型中，PTMG又好于PPG型，并且均随弹性体硬度提高而改善。此外一般的聚氨酯弹性体在高温环境下强度下降显著。

1.7低温性能 聚氨酯弹性体有良好的低温性能，主要表现在脆性温度一般都很低（-50～-70℃），有的配方（如PCL-TDI-MOCA）甚至更低的温度也不脆化。同时小数品种（如PTMG-TDI-MOCA）的低温弹性也很好。-45℃的压缩耐寒系数可达到0.2-0.5的水平，但是多数品种，特别是一些大宗品种，如一般的聚酯型弹性体，低温结晶倾向比较大，低温弹性不好，作为密封件使用，在-20℃一下容易初相漏油的现象。 随着温度的下降，聚氨酯弹性体的硬度、拉伸强度、撕裂强度和扭转刚性显著增大，回弹和伸长率下降。

1.8吸振性能 聚氨酯弹性体对交变应力的作用表现出明显的滞后现象。在这一过程中外力作用的一部分能量消耗于弹性体的分子的内摩擦，转变成为热能。这种特性叫做材料的吸振性能，也称为能量吸收性能或阻尼性能。吸振性能通常用衰减系数表示。衰减系数表示发生形变的材料能吸收施加给它的能量的百分数。它除了与材料的性质有关外，还与环境温度、振动频率有关。温度越高，衰减系数越低，振动频率越高，吸收能量越大。当频率与大分子的松弛时间相近时，吸收的能量最大。室温下的聚氨酯弹性体可吸收振动能量的10%-20%，比丁腈橡胶还好。适于在形变幅度小时吸收大的冲击力，而在形变幅度大的吸收小的冲击力。 此外，滞后现象产生内生热，使弹性体温度升高。由于弹性体温度上升，其回弹性提高，减震性能下降，所以，在设计减振件时一定要考虑诸性能的平衡。

1.9电性能 聚氨酯弹性体的电绝缘性能在一般工作温度下是比较好的，大体相当于氯丁橡胶和酚醛树脂的水平。由于它既可以浇注成型，又可热塑成型，故常用作电器元件灌封和电缆护套等材料。聚氨酯弹性体由于其分子极性比较大，对水有亲和性，所以其电性能随环境温度变化比较大，同时也不适用于高频电器材料使用。此外，聚氨酯弹性体的电性能随温度的上升而下降，随材料的硬度上升而提高。 1.10耐辐射性能 在合成高分子材料中，聚氨酯弹性体的耐高能射线的性能是很好的。在105-106Gy辐射剂量下仍具有满意的使用性能。但是对于浅色或者透明的弹性体在射线的作用下会出现变色现象，与在热空气或大气老化试验时观察到的现象相似。

1.11耐霉菌性能 聚醚型聚氨酯的耐霉菌性能还好，测试等级为0-1级，即基本不长霉菌。但聚酯型聚氨酯不耐霉菌，测试结果为严重长霉，不适于热带、亚热带野外使用和在湿热的条件下存放。在野外和湿热环境中使用的聚酯型聚氨酯弹性体，在配方中都要添加防霉剂（如八羟基喹啉铜、BCM等，一般用量在0.1%-0.5%）一改善其耐霉菌性能。

1.12生物医学性 聚氨酯材料具有极好的生物相容性，急慢性毒理试验和动物试验证实，医用聚氨酯材料无毒，无至畸变作用，无过敏反应，无局部激性，无知热源性，是最具有价值的合成医用高分子材料之一。

2. 聚氨酯弹性体的应用和开发 综上所述，聚氨酯弹性体的综合性能是十分优越的。近年来，各国都在根据市场需求情况加强其应用开发研究，开发的重点在以下几个方面：

2.1汽车用聚氨酯弹性体 现今的汽车工业正在向高性能、低重量、舒适与安全的方向发展。橡塑合成材料正在逐步取代金属材料，这就为聚氨酯弹性体的应用开辟了极为广阔的前景。美国Goodrich公司开发出第二代TPU，其商务名为Estaloc。该产品保持了第一代TPU Estaloc的特性，并采用中空玻璃球作填料，使光泽度提高了15%以上，可用于制造汽车边板和减震垫等。在汽车上安装安全气囊，是现代汽车工业发展的需要，对保护驾驶员的生命安全有重大作用。这种气囊必须具备一定强度才能经受高速冲击，还要有较好的低温柔性，适宜用聚氨酯制作，每个气囊用胶量约300克。我国大部分汽车尚未安装气囊，市场需求量很大。利用聚氨酯弹性体的高强度和高承载能力。可制造中低速载重车辆用轮胎，强度和高承载能力，可制造中低速载重车辆用轮胎，其承载能力是用天然胶制造的同规格轮胎的7倍。近年来，一种新型绿色聚氨酯复合轮胎正在研究开发之中，它是以新旧橡胶光胎为基体，浇注上一定厚度的高耐磨、耐刺扎的聚氨酯橡胶胶面层，目前正处于里程试验阶段，不久后有望投入指生产。