聚氨酯弹性体的特性及应用之欧阳德创编.docx

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聚氨酯弹性体的特性及应用之欧阳德创编

聚氨酯弹性体的特性与应用

1.

时间：

2021.03.07

创作：

欧阳德

2.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。

2.2.2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。

2.2.3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。

3.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。

 2.2建筑用聚氨酯弹性体

传统的沥青油毡防水材料已逐步被坚固耐用、整体施工的聚氨酯防水材料所替代；运动场的跑道在10年前只有国家级的正式比赛场地才用聚氨酯铺装材料，而现在大部分省市体育场、大中专院校，甚至一些中小学也都铺上了聚氨酯塑胶跑道；大型桥梁的伸缩缝、飞机场跑道及高速公路的嵌缝也开始采用常温固化的聚氯酯弹性体制作高速铁路的轨枕是十分理想的材料，日本新干线铁路通过的隧道和桥梁上所铺的轨枕就是采用了聚氯酯弹性体材料。

这一新的应用充分发挥了聚氯酸弹性体质轻、吸震性好、耐老化等特点，很好推广价值。

2.3矿山用聚氯酯弹性体

煤矿、金属及非金属矿山对高耐磨、高强度而又富有弹性的非金属材料需求量很大。

近10年来，许多选择煤厂用聚氯酯弹性筛选板取代了笨重的金属筛板，不仅大大延长了筛板的使用寿命，而且明显降低了操作环境的噪音，节能降耗效果明显。

其它如用于制作固体分离的旋流器、阻燃抗静电的耐磨运输带、矿用单轨吊车的实芯轮、煤矿喷浆机用结合板、万吨电动轮自卸车上的油密封圈、高压电缆护套的冷补胶等也都为矿山建设发挥了巨大作用。

目前还有许多矿山用耐磨弹性制品正等待我们去开发和推广。

2.4鞋用聚氯酯弹性体

自从台商纷纷来到大陆，我国的制鞋业发展迅速。

聚氯酯弹性具有缓冲性能好、质轻、耐磨、防滑等优点，现已成为制鞋工业中一种重要的配套材料，高尔夫球鞋、棒球鞋、足球鞋、滑雪鞋、旅游鞋、安全鞋等许多鞋的鞋底、鞋跟、鞋头、鞋垫等重要配件都是用聚氯酯弹性体制成的，不仅美观大方，而且舒适耐用，还能提高运动成绩。

2.5医用聚氨酯弹性体

良好的生物相容性、血液相容性、无各种添加剂是TPU和CPU材料在医疗领域获得应用的重要原因。

目前已开发成功的医用弹性体制品有：

气管套管、假肢、计划生育用的栓堵剂、颅骨缺损修补材料、安全套等等，其在医疗卫生领域应用的前景还十分广阔。

2.6新型聚氨酯复合板材

英国正在开发一种称为SPS夹板层系统的聚氨酯复合板材，将给造船业带来一场革命。

它包括两层9mm厚的钢板和被注入它们中间的40mm厚的聚氨酯弹性体，一旦开发成功，可取代传统造船业用的加强钢板材料，其优点是：

节省制造时间、节约钢板、减轻船体重量、抗冲击、耐疲劳、减震、消音、隔热。

一旦将来采用SPS系统的复合材料来造船的话，造船业所耗用的聚氨酯弹性体将是一个十分惊人的数字。

时间：

2021.03.07

创作：

欧阳德