端羥基聚丁二烯是六十年代發(fā)展起來的一種液體預(yù)聚物。通過鏈延長和交聯(lián)固化反應(yīng),可將其制成有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的彈性體。因?yàn)樗凸腆w橡膠有相同的性能,所以亦有人稱其為液體橡膠。
中文名稱 | 端羥基聚丁二烯 | 缺????點(diǎn) | 昂貴 |
---|---|---|---|
用????途 | 制造膠粘劑、涂料 | 常????溫 | 液體 |
端羥基聚丁二烯存在以下缺點(diǎn):
(1)與相應(yīng)的固體橡膠相比,價格較貴;
(2)與固體橡膠比較,液體橡膠的強(qiáng)度、抗彎曲性能、老化性能(特別是高溫性能)還有若干問題。
(3)在增強(qiáng)填充劑的混煉、成型加工中必須建立獨(dú)自的加工工藝(已有的橡膠加工設(shè)備難于使用)。
(4)如不能使加工工藝機(jī)械化、自動化和連續(xù)化,則相反地會使產(chǎn)品的價格更高。
所以要充分利用其優(yōu)點(diǎn)克服其缺點(diǎn),開發(fā)有特色的民用途徑。
2、各種橡膠類彈性體的制備
由端羥基聚丁二烯制備橡膠彈性體的方法和聚氨酯完全相同,有一步法和預(yù)聚物法。一步法就是將端羥基聚丁二烯、鏈延伸劑、交聯(lián)劑、固化催化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等配合劑充分混合在一起,經(jīng)脫泡澆注到模具中,即可得到所需制品。預(yù)聚物法,就是先將端羥基聚丁二烯與二異氰酸酯反應(yīng),制成端異氰酸酯預(yù)聚物,然后再與其他配合劑混合,經(jīng)上述工藝過程而得到制品。
常用配合劑有多異氰酸酯固化劑:甲苯二異氰酸酯(TDI)、六次甲基二異氰酸酯(HMDI)4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)、多甲撐多苯基多異氰酸酯、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、三苯基甲烷三異氰酸酯、二甲苯二異氰酸酯、1,4-環(huán)已撐二異氰酸酯、1,4-四氫萘撐二異氰酸酯等。
鏈延伸劑有1,2-丙二醇、1,4-丁二醇、雙酚A系二醇、甘油、蓖麻油、三羥甲基丙烷等。
異氰酸酯和醇反應(yīng)的催化劑有二丁基錫二月桂酸酯、辛酸錫等。
為了提高其耐老化性能,還要加入防老劑。
根據(jù)不同需要還可加入紫外線吸收劑、增容劑、難燃劑、發(fā)泡劑、著色劑等。
為了提高其強(qiáng)度和抗彎曲性,研制了一些新的配合劑如新的固化劑:路易斯酸和酰胺類金屬化合物、改性多磷酸、五氧化二磷、多磷酸、焦磷酸等。還有一些特殊的固化劑,如磷氮氯聚合物[(PNCl2)n],既是固化劑,又是難燃劑。特點(diǎn)是可避免由于加入其他難燃劑如硼酸亞鋁等引起的橡膠物理性能的降低,由此種固化劑可制成耐火端羥基聚丁二烯橡膠。
調(diào)整配合劑的種類和用量,可制得各種物理性能的彈性體。如不同的補(bǔ)強(qiáng)劑對彈性體的性能有不同的影響,甚至不同形狀的同一補(bǔ)強(qiáng)劑對彈性體性能的影響亦不相同。鑒于這種情況,端羥基丁二烯固化物的性能可在較寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。端羥基聚丁二烯橡膠補(bǔ)強(qiáng)系的物理性能列于表2。從表2可以看出用預(yù)聚物法所制得的橡膠的物理性能最好。
表2 端羥基聚丁二烯液體橡膠補(bǔ)強(qiáng)系的物理性能
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
制 法 | 一步法 | 一步法 | 一步法 | 一步法 | 預(yù)聚物法 | 預(yù)聚物法 |
端羥基聚丁二烯品種 | CS-15 | R-45M | CS-15 | CS-15 | R-45M | R-45M |
補(bǔ) 強(qiáng) 系 | ISAF-LS 50份 | ISAF-LS 50份 | ISAF-HM 50份 | HAF 50份 | 短鏈二醇 29.6份 | 短鏈二醇 21.3份 |
硬 度(肖氏A) | 76 | 85 | 70 | 82 | 97 | 94 |
抗張強(qiáng)度(公斤/厘米2) | 160 | 150 | 178 | 195 | 208 | 220 |
伸長(%) | 250 | 270 | 480 | 200 | 440 | 493 |
200%模量(公斤/厘米2) | 40 | 70 | 63 | 192 | 137 | 98 |
撕裂強(qiáng)度(公斤/厘米) | 36 | 26 | 61 | 53 | ||
耐屈撓性(循環(huán)) | 1.1×104 | 4.4×104 |
注:(1)ISAF-LS、ISAF-HM、HAF均為炭黑商品名稱。
(2)短鏈二醇是N,N雙-(2-羥丙基)苯胺。
(3)表中各配方均使用異氰酸酯進(jìn)行鏈延長和固化,未給出詳細(xì)組分。
由端羥基聚丁二烯制得的橡膠的低溫特性、水解穩(wěn)定性均良好,耐熱性能也大大改善(見表3、表4、表5),尤其是和聚醚或聚酯聚氨酯相比,某些特點(diǎn)更加突出。例如聚酯聚氨酯,置于沸水中六天,幾乎完全分解,而在同樣條件下,端羥基聚丁二烯聚氨酯的力學(xué)性能無顯著變化。在橡膠制品中,以輪胎對材料性能的要求最苛刻,除耐屈撓性外,端羥基聚丁二烯補(bǔ)強(qiáng)系固化物基本上可以滿足輪胎的性能要求。
液體橡膠工業(yè)是剛剛興起的新興工業(yè),需要有特有的加工工藝和設(shè)備,工藝過程如圖1所示。從圖1可以看出,使用液體橡膠制橡膠制品需要混合、脫泡、注射成型等機(jī)械,而這些機(jī)械的研制是該領(lǐng)域的重要課題之一,在研制過程中,可借鑒塑料工業(yè)已有的成果,有些新機(jī)械已經(jīng)研制成功。
與固體橡膠相比,液體橡膠的強(qiáng)度、抗屈撓性較差,制成的輪胎在高速行駛過程中,出現(xiàn)內(nèi)部發(fā)熱問題,今后還有待于開發(fā)新的主鏈延長劑、交聯(lián)劑和補(bǔ)強(qiáng)劑。鑒于存在這些問題,國外先以比較簡單的自行車輪胎為目標(biāo),進(jìn)行研究,并加速開發(fā)澆鑄或回轉(zhuǎn)成型制輪胎的方法。端羥基聚丁二烯在-50℃仍保持橡膠彈性的耐寒性能、優(yōu)良的涂裝性能、吸收沖擊的性能,將其制成汽車防撞、防震器等有特別重要的意義。用連續(xù)化自動化生產(chǎn)和使用澆注工藝還可大大降低制品的成本。如在月產(chǎn)10萬個(每個重約500克)的這種汽車零件工廠中,將以前使用的固體橡膠壓縮成型加工法,換成液體澆注工藝總費(fèi)用可降低75%,因產(chǎn)品小,加工設(shè)備亦簡單。
因端羥基聚丁二烯有優(yōu)良的電氣性能,耐水、耐腐蝕性能和尺寸安定性,可用澆注法制成形狀復(fù)雜的絕緣材料(如電纜接頭),國外已有商品出售。
從已公開的文獻(xiàn)報(bào)道看,在國外有關(guān)生產(chǎn)工藝的研究已較成熟,重點(diǎn)放在反應(yīng)機(jī)理和使用性能方面的研究,尤其是關(guān)于應(yīng)用途徑的開發(fā),一些國家正在積極進(jìn)行工作。主要有以下幾方面的用途:
1、膠粘劑;
2、涂料;
3、輪胎等工業(yè)用橡膠材料(皮帶,防震橡膠)及形狀復(fù)雜的工業(yè)用橡膠材料(車輛用的安全部件如防撞器等);
4、密封材料,填縫材料;
5、人造皮革、彈性纖維等的原料;
6、泡沫塑料及優(yōu)良的沖擊吸附材料;
7、橡膠塑料的改性劑;
8、電氣零件材料及電氣零件材料用的灌封材料;
9、鞋用材料;
10、船泊甲板、天花板及鋪路用材料。
有的文獻(xiàn)歸納其用途有十九種之多。
所以要根據(jù)使用目的和要求,選擇不同微觀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。一些端羥基聚丁二烯產(chǎn)品的性能如表1所示。除上述性能外,端羥基聚丁二烯尚有如下優(yōu)點(diǎn):
(1)端羥基聚丁二烯在常溫下是液體,因此在加工處理時,可不用有機(jī)溶劑,避免了由溶劑而造成的環(huán)境污染、火災(zāi)、爆 炸等危險。在日益強(qiáng)調(diào)消除公害的當(dāng)今世界,這一點(diǎn)有其特別重要的意義。
(2)因其是液體,可采用澆注成型或注射成型等工藝,加工簡便,且可連續(xù)化、自動化、機(jī)械化,因而節(jié)省了人力和能源,降低了產(chǎn)品的加工費(fèi)用。
(3)預(yù)聚物末端羥基較容易在室溫下和異氰酸酯平穩(wěn)地進(jìn)行反應(yīng),特別是和芳香族異氰酸酯反應(yīng)活性更高,因此可將其制成室溫固化的涂料和膠粘劑。
(4)端羥基聚丁二烯和其他固體橡膠一樣,可使用炭黑鋅白、玻璃纖維等補(bǔ)強(qiáng)填充劑。
表1 端羥基聚丁二烯的國外品種和性能
商 品 名 | Polybd R-15M | Polybd R-15M | Polybd CS-15 | Polybd CN-15 | Nisso PB | Polybd R-45HT |
制 造 商 | Sinclair Research Inc | ARCO | ARCO | ARCO | 日本曹 達(dá)(株) | ARCO,日本出光石油化學(xué)(株) |
聚合方法 | 自由基 | 自由基 | 自由基 | 自由基 | 活性陰離子 | 自由基 |
分子量Mn | 2700-3000 | 2500-2800 | 2800-3600 | 3300-4400 | 1000-3000 | 2800左右 |
官能度fn | - | 2.2-2.6 | 2.2-2.4 | 2.2-2.4 | 2 | 2.2-2.4 |
粘度,泊(30℃) | 220±50 | 50±10 | 225±50 | 500±100 | 50±10 | |
水分含量 | 0.05% | 0.05% | 0.05% | 0.05% | 0.05% | 0.05% |
含共聚單位量 | - | - | 25%苯乙烯 | 15%丙烯腈 | - | - |
微觀結(jié)構(gòu)(%) | ||||||
1,4順式 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | |
1,4反式 | 60 | 60 | 60 | 60 | 5-10 | 60 |
1,2乙烯基 | 20 | 20 | 20 | 20 | 85-9 | 20 |
碘值 | 395 | 389 | 335 | 345 | - | 398 |
(5)因端羥基聚丁二烯的分子骨架中,不含有通常聚氨酯分子骨架中有的醚或酯鍵,因此水解安定性良好。
醚或酯鍵,因此水解安定性良好。
(6)有優(yōu)良的電氣性能。端羥基聚丁二烯的分子骨架和一般固體橡膠的分子骨架相似,因此電氣絕緣性能良好,可制成各種電氣絕緣材料。
(7)端羥基聚丁二烯力學(xué)性能良好,補(bǔ)強(qiáng)系抗張強(qiáng)度可達(dá)200公斤/厘米2,伸長560%。玻璃化溫度為-70℃,因此可將其制成耐寒的橡膠制品、涂料及膠粘劑。
聚丁二烯橡膠包含順丁橡膠. 順丁橡膠聚合體內(nèi)大部分或部分為順式結(jié)構(gòu) 有反丁橡膠
聚丁二烯橡膠包含順丁橡膠.順丁橡膠聚合體內(nèi)大部分或部分為順式結(jié)構(gòu)有反丁橡膠
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綜上所述,端羥基聚丁二烯有很多優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用的范圍亦較廣泛,應(yīng)根據(jù)情況權(quán)衡利弊,選擇切實(shí)可行的民用途徑,可以充分利用端羥基聚丁二烯的優(yōu)點(diǎn),用連續(xù)自動化生產(chǎn)和使用澆注工藝生產(chǎn)形狀復(fù)雜的汽車安全用零件和電氣絕緣材料、船用零件等。具有特殊性能和端羥基聚丁二烯涂料和膠粘劑。是很有前途的民用產(chǎn)品,在開發(fā)研制中不需要任何機(jī)械(除性能測試外),實(shí)際上只是配方的研究和探索。將其作為其他材料的改性劑亦是比較實(shí)際的應(yīng)用途徑,有時還能收到立竿見影的效果。
在國外,隨著人工費(fèi)用的高漲、能源危機(jī)和日益強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù),液體端羥基聚丁二烯會日益顯出它的優(yōu)越性。但存在下列問題有待進(jìn)一步解決。
(1) 價格高
價格是決定產(chǎn)品是否有使用前途的重要依據(jù),尤其是民用產(chǎn)品,價格太貴,即使性能再好亦無使用前途。降低端羥基聚丁二烯產(chǎn)品的價格有兩種方法:(一)改進(jìn)合成工藝,從而降低大原材料端羥基聚丁二烯的價格。(二)利用液體橡膠的特點(diǎn),使加工工藝連續(xù)化、自動化、機(jī)械化、減少設(shè)備費(fèi)用及人工費(fèi)用,最終制品價格可能不會高于固體橡膠制品的價格。然而要做到這一點(diǎn)并非容易,現(xiàn)有的固體橡膠加工工業(yè),已有較長的發(fā)展歷史,有一套完善的加工機(jī)械和成熟的工藝過程,如換用液體橡膠,則要去掉原有機(jī)械,建立一套適合液體橡膠的加工工藝。
(2) 如前所述性能上的缺點(diǎn)。
(3) 有待開發(fā)液體橡膠專用的混煉機(jī)械和加工機(jī)械。
所以在端羥基聚丁二烯民用開發(fā)工作中,還有許多工作要做。在國外這種工作正在積極進(jìn)行,以日本最為突出,無非是要更好地達(dá)到戰(zhàn)時軍用、平時民用的目的。
間二甲苯二異氰酸酯 | 9 | ||||
ISAF炭黑 | 50 | ||||
物性測定溫度℃ | 20 -40 | 20 - 40 | 20- 40 | 20 -40 | 20 - 40 |
100%抗張應(yīng)力, (公斤/厘米2) | 14 33 | 60 161 | 17 127 | 56 134 | 32 132 |
300%抗張應(yīng)力,(公斤/厘米2) | 71 112 | 105 307 | 92 | 49 219 | |
抗張強(qiáng)度,(公斤/厘米2) | 110 255 | 140 500 | 20 230 | 94 290 | 64 250 |
伸長,% | 470 560 | 420 400 | 150 270 | 310 300 | 430 340 |
硬度(肖氏A) | 35 65 | 89 93 | 60 84 | 80 80 | 76 81 |
注:(1)每個配方中含有紫外線吸收劑Tinuvin 327 1.0份,抗養(yǎng)劑Irganox 565 0.1份,二丁基錫二月桂酸酯(DBTDL)0.05份。
(2)MP-9 是polytd R-45M和過剩的TDI反應(yīng)而得到的端異氰酸酯預(yù)聚物。
(3)HIP-9是polycd R-45HT 和過剩的TDI反應(yīng)而得的端異氰酸酯預(yù)聚物。
(4)苯胺系二醇是N,N-雙(2-羥丙基)苯胺。
(5) Isonol 93是液體多元醇。
表4 端羥基聚丁二烯固化物水解穩(wěn)定性
配 方 | 1 | 2 | ||||
Polybd R-45M | 100 | 100 | ||||
甲苯二異氰酸酯 | 7 | 7 | ||||
二丁基錫二月桂酸酯 | 0.04 | 0.04 | ||||
炭黑sterling 10R | - | 4.0 | ||||
Ethyl 702抗氧劑 | 1.0 | 1.0 | ||||
在100℃水中的天數(shù) | 0 | 2 | 5 | 6 | 0 | 5 |
物理性能 | ||||||
抗張強(qiáng)度(磅/英寸2) | 152 | 136 | 144 | 141 | 1268 | 1189 |
伸 長,% | 174 | 142 | 172 | 181 | 299 | 274 |
100%模量(磅/英寸2) | 126 | 125 | 120 | 113 | 519 | 499 |
200%模量(磅/英寸2) | - | - | - | - | 922 | 999 |
肖氏硬度,A | 42 | 42 | 38 | 38 | 71 | 66 |
表5 端羥基丁二烯固化的耐熱特性
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
Polybd R-45 HT 聚丁二烯預(yù)聚物 MP-9 苯胺系二醇lsonol C-100 液體MD 1 加工油AH-10 抗張強(qiáng)度(公斤/厘米2) 伸 長(%) 硬 度(肖氏A) 加熱后的變化率(在100℃) 加 熱(68小時) 抗張強(qiáng)度(%) 伸 長(%) 硬 度(%) | 100 14 17 120 57 +12 + 9 + 8 | 100 16.8 38 133 260 83 -11 -17 + 1 | 100 16.8 38 144 280 87 - 3 -17 - 2 | 100 16.8 38 100 65 300 60 +35 +35 + 3 | 100 21 183 520 89 + 5 - 8 0 |
表6 無簾布輪胎所要求液體橡膠的性能
高溫時要求的性能 | |
抗張強(qiáng)度(100℃) 抗撕裂強(qiáng)度(100℃) 耐屈撓性(80℃) 室溫時的性能要求 抗張強(qiáng)度 伸 長 200%模量 | 126公斤/厘米2 以上 35公斤//厘米2 以上 2×106 循環(huán) 以上 196公斤/厘米2 以上 400% 以上 98-108 公斤/厘米2 |
無溶劑室溫固化,亦是端羥基聚丁二烯涂料特點(diǎn)之一。如一種二液型涂料:A液主要有端羥基聚丁二烯、辛酸錫、紫外線吸收劑、抗氧劑、加工油、碳酸鈣、芳族短鏈二醇、滑石粉、顏料。B液主要有4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯和加工油。按配料比A/B=4/1混合后即可使用,因可室溫固化,毋需大型加熱設(shè)備,因無溶劑又可消除對環(huán)境的污染及爆炸、火災(zāi)等危險。它的涂層不易脫落,耐化學(xué)性能良好,將涂料浸入10%鹽酸水溶液和40%的苛性鈉水溶液中72小時(常溫),沒有發(fā)生變質(zhì)現(xiàn)象。
端羥基聚丁二烯與環(huán)氧樹脂配合,可制成水溶性、常溫固化的電絕緣涂料,主要成份有端羥基聚丁二烯,偏苯三酸酐、環(huán)氧樹脂、四氫化酞酸酐,三乙醇胺和水,這種組成可用作電線涂料。該涂料的擊穿電壓是9.4千伏,柔性及抗堿性良好。
由1,2-聚丁二烯二醇還可制成其他電絕緣涂料和木材地板用涂料。
除上述涂料外,還有一些其他品種的涂料,如全氟烷基碘化物與均聚或共聚的端羥基聚丁二烯反應(yīng),可制成改性的含氟的丁二烯脂肪,這種樹脂能防水、防油,可用作織物、木材、金屬等的涂料。
端羥基聚丁二烯價格較貴,因此由該預(yù)聚物制得的涂料必有獨(dú)到之處,才能在市場上站穩(wěn),有競爭力。端羥基聚丁二烯涂料是聚氨酯涂料的一種,性能的某些方面優(yōu)于現(xiàn)有的聚氨酯涂料(參見文獻(xiàn)19),所以端羥基聚丁二烯涂料是有前途的民用產(chǎn)品。
4、端羥基聚丁二烯膠粘劑
用端羥基聚丁二烯可制成膠粘劑,用來粘結(jié)橡膠、聚酯、金屬,其特點(diǎn)是無溶劑常溫固化。該膠粘劑除端羥基聚丁二烯以外,還要加入固化劑。固化催化劑、補(bǔ)強(qiáng)劑等配合劑。表7列出由端羥基聚丁二烯-苯乙烯共聚物制得的膠粘劑的簡單配方和物理性能。在配方當(dāng)中,改變配合劑的種類和用量可得到不同性能的膠粘
劑,如炭黑的種類及用量、固化劑及固化催化劑的用量、NCO/OH的當(dāng)量比對膠的物理性能均有影響,所以要在實(shí)踐中探索最佳配方。
表7 液體橡膠粘劑的配方及物理性能
1 | 2 | |
端羥丁基聚丁二烯-苯乙烯共聚物(HT-PBS) 炭黑(ISAF-LS) TDI MDI NCO/OH當(dāng)量比 催化劑(DBTDL) 防老劑 物理性能 100%抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 300%抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 伸 力,% 撕裂強(qiáng)度(公斤/厘米) 硬 度(肖氏A) | 100 50 6.8 1.2 0.2 3.0 22 97 207 560 45 65 | 100 50 9.6 1.0 0.05 3.0 25 104 200 560 42 61 |
用端羥基聚丁二烯還可制成有彈性的粘結(jié)金屬用的膠粘劑,主要成份是端羥基聚丁二烯和甲苯二異氰酸酯反應(yīng)制得的預(yù)聚物HTP-9。配方1中添加了辛基二醇,NCO/OH之比為0.9,配方2中添加了N,N-雙(2-羥丙基)苯胺,NCO/OH之比為1.0。膠在加壓下1小時即可固化,室溫下放置7天,可達(dá)以下強(qiáng)度(見表8)。
表8 用液體橡膠粘結(jié)金屬的強(qiáng)度
膠粘劑 | 裂 張 斷 裂 粘 結(jié) 強(qiáng) 度(公斤/厘米2) | ||||
不銹鋼 | 鐵 | 鋁 | 銅 | 黃銅 | |
1 | 34.7(C) | 40.4(C) | 18.8(A) | 25.7(C) | 10.4(C) |
2 | 29.8(C) | 31.4(C) | 28.5(C) | 22.5(A) | 14.1(A) |
注:(A)界而剝離;(C)內(nèi)聚破壞。
用端羥基聚丁二烯粘結(jié)磨料,可制面耐高溫磨具。主要成份有polybd R-15、熔化的氧化鋁磨料、硫黃、熟石灰、醛胺促進(jìn)劑等。該磨具比用天然橡膠和其他合成橡膠等粘結(jié)的磨具強(qiáng)度要高4倍。
端羥基聚丁二烯還可制成導(dǎo)電膠及粘結(jié)聚酯的膠粘劑。
導(dǎo)電膠制法如下:polybd R-45HT 1公斤,加炭纖維30公斤,混合后加防老劑1克,紫外線吸收劑10克、二丁基錫二月桂酸酯1克、4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯100克,將上述組分充分混合,減壓脫泡,即可用作膠粘劑。
由于結(jié)構(gòu)上的原因,聚乙撐苯二甲酸酯,聚乙撐萘二甲酸酯等聚酯材料比較難粘結(jié),因而限制了它的使用范圍。用端羥基聚丁二烯可制成聚酯的膠粘劑,膠的配方如下:
聚乙撐苯二甲酸酯(1)99份,端羥基聚丁二烯157.9份,熔于1050份的硝基甲苯中。在該溶液中加入0.12份的二特丁基錫二月桂酸酯及24.1份的二苯基甲烷二異氰酸酯,用甲烷瘵生成物沉淀出來。所得生成物8份、六甲撐雙(乙撐脲)1.6份、N,N′-二異丙基苯并噻唑次磺酸胺2份,置于甲酚、甲苯和水的混合液中成為一種膠液,將該膠液涂在聚酯片的表面,將兩聚酯片粘在一起加壓(156公斤/厘米2),在150℃、40分鐘內(nèi)兩個片即牢固地粘合在一起。
使用端羥基聚丁二烯膠粘劑粘結(jié)金屬時,粘結(jié)強(qiáng)度低,為提高強(qiáng)度,使用了1,2-聚丁二烯二醇的接枝聚合物,接枝的單體是胺類,接枝后再與多異氰酸酯反應(yīng),即可成為膠乳。
除上述膠粘劑外,抻用端羥基聚丁二烯還可制成壓敏膠、熱熔膠及膠帶等膠粘劑。
5、端羥基聚丁二烯的其它用途
(1)改性劑
(2)1,2-聚丁二烯二醇的應(yīng)用
端羥基聚丁二烯的其它用途
(1)改性劑
該預(yù)聚物可作為橡膠或塑料的改性劑,提高這些材料的塑性、柔性、耐沖擊性能及固化性能,亦是聚氯乙烯很好的增塑劑。
聚醚或聚氨酯樹脂,因分子極性高,故耐油性能、耐溶劑性能良好,但低溫性能、耐水解性能差,加入一定量的端羥基聚丁二烯以后,降低了聚氨酯樹脂的脆化溫度,減少了壓縮永久變形,提高了硬度和耐水解性能。
用PPG樹脂(聚丙撐二醇樹脂,分子量2000,羥值56.1)制聚氨酯材料時,固化時間長達(dá)20小時,如加入15%的端羥基聚丁二烯(R-45M)固化時間可以減少到40分鐘,脆化溫度亦由-47℃降至-56℃。隨端羥基聚丁二烯加入量的增加,聚氨酯材料的電阻亦明顯增大。
由于端羥基聚丁烯的加入對基本些性能亦有不利影響,如伸長及抗張強(qiáng)度有所降低,所以要根據(jù)性能要求,選擇適宜的加入量。
(2)1,2-聚丁二烯二醇的應(yīng)用
如前所述,這類化合物不能制成橡膠等彈性體,但將烯類單體接枝在1,2-聚丁二烯二醇的側(cè)鏈上,所得樹脂可制成膠粘劑、涂料、電絕緣材料、熱固化樹脂等。接枝用的單體很多,主要有丙烯酸酯類、丙烯酰胺、苯乙烯及含有環(huán)氧基的烯類單體和丙烯酸縮水甘油酯等。下面舉一典型例子。
1,2-聚丁二烯二醇(Nisso PB-G1000)100份,溶解在72份的甲乙酮中,加8.5份的甲苯二異氰酸酯,在80℃反應(yīng)4小時,在此溶液中加2.0份的過氧化苯甲酰(按枝聚合的催化劑),7.1份的丙烯酰胺,2.0份苯乙烯、7.1份的甲基丙烯酸縮水甘油酯(以上為第一階段反應(yīng))。在上述反應(yīng)液中再加1.0份的過氧化苯甲酰和19.8份的乙撐二醇二甲基丙烯酸酯,在70℃反應(yīng)5小時,得至粘稠的液體樹脂(為第二反應(yīng)階段)。
除去樹脂中的溶劑,加30份的特丁基苯乙烯(稀釋劑),調(diào)整粘度為280厘泊(25℃),加150份的硅石填充料,4份二-特丁基苯甲酸酯,0.04 份的環(huán)烷酸鈷(固化促進(jìn)劑),經(jīng)澆注可制成高壓用的電氣電子無件、接線柱、電阻器、插座等,亦可制成車輛用的零件。
該液體樹脂還可制成涂料和膠粘劑或與不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、醇酸樹脂等混合使用。
在端羥基聚丁二烯民用領(lǐng)域中,對1,2-聚丁二烯二醇的接枝聚合物的合成和應(yīng)用進(jìn)行了大量的研究,但制法大同小異,往往為了獲得某種性能,在制法上有些小的變動。如將甲基丙烯酸縮水甘油酯與端羥基聚丁二烯進(jìn)行接枝聚合后,然后再與二胺反應(yīng),這樣將側(cè)鏈上的環(huán)氧打開,生成了羥基,由于羥基和金屬表面的氧化膜生成氫鍵,提高了粘結(jié)金屬時的粘結(jié)強(qiáng)度。
(3)端羥基聚丁二烯封裝化合物。所謂封裝化合物是用來封裝電氣電子零件、以防潮防震為目的化合物。封裝化合物的主要成份:端羥基聚丁二烯、增充油(extencler oil)、二異氰酸酯、粒度從30至100u的聚丙烯粉和防老劑。此封裝化合物在室溫或高溫均可固化,對混凝土、鋼、塑料都有很好的粘著力,可將元件固定其上,起到封裝作用。
(4)其它
端羥基聚丁二烯的用處還很多,如將其與甲醛縮合,制成端羥基聚丁二烯縮甲醛,可用作外科繃帶粘結(jié)劑,礦物油粘度指數(shù)改進(jìn)劑及涂料等。
烯丙基化的端羥基聚丁二烯,具有優(yōu)良的空氣固化性能,可用作密封材料、涂料、膠粘劑等。
氫化端羥基聚丁二烯亦有很多用處,因工藝過程復(fù)雜,其價格會更高,實(shí)用價值有待探討,在此不贅述。
端羥基聚丁二烯的合成方法、分子結(jié)構(gòu)及性能
端羥基聚丁二烯,一般是指每個大分子兩端平均有兩個以上羥基的丁二烯的均聚物或共聚物。共聚物有丁二烯-苯乙烯共聚物、丁二烯-丙腈共聚物。均聚物的示意結(jié)構(gòu)式如下:
端羥基聚丁二烯的微觀結(jié)構(gòu)是由其合成方法決定的。因其可軍用,國外對合成工藝及使用細(xì)節(jié)均嚴(yán)守秘密,從已公布的資料看,主要合成方法有自由基聚合、陰離子活性聚合和陰離子配位聚合。一般地說,利用自由基聚合時,1,4-結(jié)構(gòu)占75-80%,其中1,4-反應(yīng)約占60%,1,2-乙烯基結(jié)構(gòu)為20-25%。利用陰離子配位聚合,分子中幾乎全部是1,4-結(jié)構(gòu),而且1,4-順式結(jié)構(gòu)的比例較高。利用陰離子活性聚合,有時分子中的1,2-乙烯基結(jié)構(gòu)可達(dá)90%,所得預(yù)聚物分子量分布亦窄,Mw/Mn接近于1。
初期,端羥基聚丁二烯主要是民用,如用于涂料和膠粘劑。由該預(yù)聚物制成了各種有特色的涂料,如低溫涂料、防腐涂料、電絕緣涂料、水溶性涂料等。
為了解決能源危機(jī), 人們在寒冷地帶尋找石油,在開發(fā)石油的過程中,需要大量低溫涂料。端羥基聚丁二烯低溫涂料是二液型:
A組分-多異氰酸酯,可用多苯基多甲撐多異氰酸酯(PAPI)或4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)。
B組分-多羥基化合物的混合物,其第一個化合物是Polybd R-45HT:第二個化合物是羥甲基取代的烯丙基醚,如商品Methylon 75108;第三個多羥基化合物是N,N-二(2-羥丙基)苯胺,商品名Isonol C-100,將這三種化合物溶在苯、甲苯或二甲苯溶劑中,加入適量炭黑,即成為組分B。
將A、B兩個組分混合加入催化劑即可使用。該涂料固化溫度38-71℃,脆點(diǎn)在-80℃以下。
端羥基聚丁二烯涂料的另一個特點(diǎn)是防腐性能好,某些涂料耐酸堿性能很突出。如在運(yùn)輸磷酸肥料的過程中,所使用的罐車要涂上耐磷酸的涂料,該涂料可以用端羥基聚丁二烯制得。首先將端羥基聚丁二烯與二苯甲烷二異氰酸酯反應(yīng),制成端異氰酸酯預(yù)聚物(含6%未反應(yīng)的異氰酸酯根)。將該預(yù)聚物溶在甲苯、甲乙酮各半的溶劑中制成該預(yù)聚物溶液,加入固化劑溶液后即得到涂料。該涂料在25℃下、72小時內(nèi)即可固化,涂層置于85%的磷酸中(70℃)11天,性能無變化。
端羥基聚丁二烯與環(huán)氧樹脂配合,可制成性能更好的耐久性防腐涂料。主要組分除polybd R-45M外,還有環(huán)氧樹脂、脂肪酸酯、PAPI等。將該涂料置于5%的H2SO4水溶液中(25℃)30天,5%NaOH水溶液中(25℃)30天,5%食鹽水溶液中(50℃)300小時,均無異常變化。
表3 端羥基聚丁二烯固化物的低溫特性
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
Polybd R-45 HT | 100 | ||||
聚丁二烯預(yù)聚物 MP-9 | 100 | 100 | |||
聚丁二烯預(yù)聚物 HTP-9 | 100 | 100 | |||
苯胺系二醇 Lsonol C-1000 | 21.3 | ||||
Lsonol 93 | 21.3 | ||||
乙撐二醇 | 6.6 | ||||
二乙撐二醇 | 11.4 | ||||
間二甲苯二異氰酸酯 | 9 | ||||
ISAF炭黑 | 50 | ||||
物性測定溫度℃ | 20 -40 | 20 - 40 | 20- 40 | 20 -40 | 20 - 40 |
100%抗張應(yīng)力, (公斤/厘米2) | 14 33 | 60 161 | 17 127 | 56 134 | 32 132 |
300%抗張應(yīng)力,(公斤/厘米2) | 71 112 | 105 307 | 92 | 49 219 | |
抗張強(qiáng)度,(公斤/厘米2) | 110 255 | 140 500 | 20 230 | 94 290 | 64 250 |
伸長,% | 470 560 | 420 400 | 150 270 | 310 300 | 430 340 |
硬度(肖氏A) | 35 65 | 89 93 | 60 84 | 80 80 | 76 81 |
表4 端羥基聚丁二烯固化物水解穩(wěn)定性
配 方 | 1 | 2 | ||||
Polybd R-45M | 100 | 100 | ||||
甲苯二異氰酸酯 | 7 | 7 | ||||
二丁基錫二月桂酸酯 | 0.04 | 0.04 | ||||
炭黑sterling 10R | - | 4.0 | ||||
Ethyl 702抗氧劑 | 1.0 | 1.0 | ||||
在100℃水中的天數(shù) | 0 | 2 | 5 | 6 | 0 | 5 |
物理性能 | ||||||
抗張強(qiáng)度(磅/英寸2) | 152 | 136 | 144 | 141 | 1268 | 1189 |
伸 長,% | 174 | 142 | 172 | 181 | 299 | 274 |
100%模量(磅/英寸2) | 126 | 125 | 120 | 113 | 519 | 499 |
200%模量(磅/英寸2) | - | - | - | - | 922 | 999 |
肖氏硬度,A | 42 | 42 | 38 | 38 | 71 | 66 |
表5 端羥基丁二烯固化的耐熱特性
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
Polybd R-45 HT 聚丁二烯預(yù)聚物 MP-9 苯胺系二醇lsonol C-100 液體MD 1 加工油AH-10 抗張強(qiáng)度(公斤/厘米2) 伸 長(%) 硬 度(肖氏A) 加熱后的變化率(在100℃) 加 熱(68小時) 抗張強(qiáng)度(%) 伸 長(%) 硬 度(%) | 100 14 17 120 57 +12 + 9 + 8 | 100 16.8 38 133 260 83 -11 -17 + 1 | 100 16.8 38 144 280 87 - 3 -17 - 2 | 100 16.8 38 100 65 300 60 +35 +35 + 3 | 100 21 183 520 89 + 5 - 8 0 |
表6 無簾布輪胎所要求液體橡膠的性能
高溫時要求的性能 | |
抗張強(qiáng)度(100℃) 抗撕裂強(qiáng)度(100℃) 耐屈撓性(80℃) 室溫時的性能要求 抗張強(qiáng)度 伸 長 200%模量 | 126公斤/厘米2 以上 35公斤//厘米2 以上 2×106 循環(huán) 以上 196公斤/厘米2 以上 400% 以上 98-108 公斤/厘米2 |
表7 液體橡膠粘劑的配方及物理性能
1 | 2 | |
端羥丁基聚丁二烯-苯乙烯共聚物(HT-PBS) 炭黑(ISAF-LS) TDI MDI NCO/OH當(dāng)量比 催化劑(DBTDL) 防老劑 物理性能 100%抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 300%抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 抗張應(yīng)力(公斤/厘米2) 伸 力,% 撕裂強(qiáng)度(公斤/厘米) 硬 度(肖氏A) | 100 50 6.8 1.2 0.2 3.0 22 97 207 560 45 65 | 100 50 9.6 1.0 0.05 3.0 25 104 200 560 42 61 |
表8 用液體橡膠粘結(jié)金屬的強(qiáng)度
膠粘劑 | 裂 張 斷 裂 粘 結(jié) 強(qiáng) 度(公斤/厘米2) | ||||
不銹鋼 | 鐵 | 鋁 | 銅 | 黃銅 | |
1 | 34.7(C) | 40.4(C) | 18.8(A) | 25.7(C) | 10.4(C) |
2 | 29.8(C) | 31.4(C) | 28.5(C) | 22.5(A) | 14.1(A) |
注:(A)界而剝離;(C)內(nèi)聚破壞。
端羥基聚丁二烯還可制成導(dǎo)電膠及粘結(jié)聚酯的膠粘劑。
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評分: 4.3
用端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠與環(huán)氧樹脂制得端異氰酸酯基聚丁二烯橡膠-環(huán)氧樹脂聚合物(ETPB)。在ETPB中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的納米三氧化二鋁,并用胺類固化劑固化,制得ETPB/納米三氧化二鋁復(fù)合材料。測試了環(huán)氧樹脂、ETPB和ETPB-納米三氧化二鋁復(fù)合材料在干滑動下的摩擦性能,考察了磨損率及摩擦系數(shù)與載荷和滑動速度之間的關(guān)系,用掃描電子顯微鏡對幾種材料磨損表面進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明,用端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠改性環(huán)氧樹脂可提高干滑動條件下環(huán)氧樹脂的抗磨損性能;填充納米三氧化二鋁可顯著提高ETPB的抗磨損性能,其最佳填充質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%。
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評分: 4.8
通過小粒徑膠乳合成工藝制備粒徑100 nm左右的聚丁二烯膠乳(PBL),然后通過附聚得到部分較大粒徑PBL,從而獲得具有雙峰粒徑分布的附聚膠乳,附聚膠乳接枝后再與(苯乙烯/丙烯腈)共聚物摻混造粒制得(丙烯腈/丁二烯/苯乙烯)共聚物(ABS)。結(jié)果表明,用該附聚PBL制得的ABS樹脂具有沖擊強(qiáng)度高、熔體流動速率低和斷裂伸長率高等特點(diǎn),適于進(jìn)行擠出成型,說明該附聚PBL適合制備板材級ABS樹脂。
合成橡膠分類
合成橡膠生產(chǎn)不受地理?xiàng)l件限制,根據(jù)合成橡膠的使用性能、范圍和數(shù)量,分為通用合成橡膠和特種合成橡膠兩大類別。
根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)可分烯烴類、二烯烴類和元素有機(jī)類等。
合成橡膠的分類方法很多。
按成品狀態(tài)
可分為液體橡膠(如端羥基聚丁二烯)、固體橡膠、乳膠和粉末橡膠等。
按橡膠制品形成過程
可分為熱塑性橡膠(如可反復(fù)加工成型的三嵌段熱塑性丁苯橡膠)、硫化型橡膠(需經(jīng)硫化才能制得成品,大多數(shù)合成橡膠屬此類)。
按生膠充填的其他非橡膠成分:可分為充油母膠、充炭黑母膠和充木質(zhì)素母膠。
實(shí)際應(yīng)用中又按使用特性:分為通用型橡膠和特種橡膠兩大類。通用型橡膠指可以部分或全部代替天然橡膠使用的橡膠,如丁苯橡膠、異戊橡膠、順丁橡膠等,主要用于制造各種輪胎及一般工業(yè)橡膠制品。通用橡膠的需求量大,是合成橡膠的主要品種。
特種橡膠是指具有耐高溫、耐油、耐臭氧、耐老化和高氣密性等特點(diǎn)的橡膠,常用的有硅橡膠、各種氟橡膠、聚硫橡膠、氯醇橡膠、丁腈橡膠、聚丙烯酸酯橡膠、聚氨酯橡膠和丁基橡膠等,主要用于要求某種特性的特殊場合。
重要的品種有丁苯橡膠、丁腈橡膠、丁基橡膠、氯丁橡膠、聚硫橡膠、聚氨酯橡膠、聚丙烯酸酯橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、硅橡膠、氟橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠和乙丙橡膠等。
近幾年,我國合成橡膠產(chǎn)能快速提高,但未能從根本上滿足國內(nèi)的巨大需求,每年進(jìn)口量依然 很大。細(xì)分市場方面,順丁橡膠和丁苯橡膠用途最廣,需求最多。2012年中國生產(chǎn)的合成橡膠有33.0%為丁苯橡膠,19.5%為順丁橡膠。
截止到2012年末,我國合成橡膠產(chǎn)能、產(chǎn)量分別達(dá)391.4萬噸/年、386萬噸,生產(chǎn)企業(yè)有23家。受益于原材料裝置配套齊全等優(yōu)勢,中石化和中石油為中國合成橡膠兩大主導(dǎo)企業(yè),其合成橡膠合計(jì)產(chǎn)能占中國合成橡膠產(chǎn)能的59.5%。
原材料與配方
材料、配比、質(zhì)量份、材料、配比、質(zhì)量份。
端羥基聚丁二烯液體橡膠100,陽離子改性劑 5~20。
有機(jī)化納米蒙脫土 2~10 質(zhì)子化劑 1~10
甲苯二異氰酸酯 6~22 催化劑 O.01~O.30
制備方法:先將陽離子交換容量為50meq的蒙脫土50份,分散到1200份去離子水中,攪拌,形成穩(wěn)定的懸浮體系A(chǔ)將10份十八烷基二甲基芐基氯化銨,溶于100份的去離子水中,加入5份鹽酸,攪拌乳化,形成分散均勻的乳液B;將懸浮體系A(chǔ)加熱到80℃,把乳液B加入懸浮體系A(chǔ)中,攪拌3h后,采用常規(guī)的方法收集有機(jī)化納米蒙脫土;將端羥基聚丁二烯液體橡膠100份、有機(jī)化納米蒙脫土4份、甲苯二異氰酸酯16份和二月桂酸二丁基錫O.15份,攪拌混合,在60℃,O.07MPa真空度下脫氣、反應(yīng)2.5h,即獲得產(chǎn)品。
該膠黏劑的T型剝離強(qiáng)度為236.7N/m,與不含納米蒙脫土的相比,提高157.6%。
航空航天工業(yè)中應(yīng)用端羥基聚丁二烯液體橡膠、端羧基丁腈液體橡膠等作為固體推進(jìn)劑的黏合劑,就是利用各種端官能團(tuán)液體橡膠作為高能燃料與氧化劑反應(yīng)生成二氧化碳和水產(chǎn)生推力;同時可將金屬鋁粉、過氯酸銨等氧化劑、安定劑、燃速催化劑粘接起來,得到高、低溫下都具有一定強(qiáng)度的固體藥柱。
雖然其在固體火箭推進(jìn)劑中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很小,但其作用是舉足輕重的。美國航天飛機(jī)助推器、蘇制SAM~7導(dǎo)彈、我國在各種戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈及火箭上均使用端基液體橡膠作為黏合劑。