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水性聚氨酯合成中硬段与软段对产品性能的影响
发布时间：
2020-02-14
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水性聚氨酯由硬段和软段构成，下面分别介绍硬段和软段结构对水性聚氨酯性能的影响。
一、硬段的影响
水性聚氨酯的硬段由反应后的二异氰酸酯或二异氰酸酯与扩链剂组成，含有芳基、氨基甲酸酯基、取代脲基等强极性基团，通常芳香族异氰酸酯形成的刚性链段构象不易改变，常温下伸展成棒状。硬链段通常影响聚合物的软化熔融温度及高温性能。
异氰酸酯的结构影响硬段的刚性，因而异氰酸酯的种类对PU材料的性能有很大影响。芳族异氰酸酯分子中刚性芳环的存在以及生成的氨基甲酸酯键赋予水性聚氨酯较强的内聚力。对称二异氰酸酯使水性聚氨酯分子结构规整有序，易形成氢键，故4，4’-MDI比不对称的二异氰酸酯(如TDI)所制的水性聚氨酯的内聚力大，模量和撕裂强度等力学性能高。芳香族异氰酸酯制备的聚氨酯由于硬段含刚性芳环，因而使其硬段内聚强度增大，材料强度一般比脂肪族异氰酸酯型聚氨酯的大，但易泛黄。脂肪族PU则不会泛黄。不同的异氰酸酯结构对聚氨酯的耐久性也有不同的影响，芳香族比脂肪族异氰酸酯的PU耐热氧化性能好，因为芳环上的氢较难被氧化。
扩链剂对PU性能也有影响。含芳环的二元醇与脂肪族二元醇扩链的水性聚氨酯相比有较好的强度。二元胺扩链剂能形成脲键，脲键的极性比氨酯键强，因而二元胺扩链的聚氨酯比二元醇扩链的聚氨酯具有较高的机械强度、模量、黏附性，并且还有较好的低温性能。浇注型聚氨酯弹性体多采用芳香族二胺MOCA作扩链剂，除了固化工艺因素外，就是因为弹性体具有良好的综合性能。
聚氨酯的软段在高温下短时间不会很快被氧化和发生降解，但硬段的耐热性影响聚氨酯的耐温性能，硬段中可能出现由异氰酸酯反应形成的几种键基团，其热稳定性顺序如下：
异氰脲酸酯>脲>氨基甲酸酯>缩二脲>脲基甲酸酯
其中最稳定的异氰脲酸酯在270℃左右才开始分解。氨酯键的热稳定性随着邻近氧原子的碳原子上取代基的增加及异氰酸酯反应性的增加或立体位阻的增加而降低。
提高PU中硬段的含量通常使硬度增加、弹性降低。
二、软段的影响
聚醚、聚酯等低聚物多元醇组成软段。软段在PU中占大部分，不同的低聚物多元醇与二异氰酸酯制备的PU性能各不相同。下表列出了各种低聚物多元醇的种类与所制得PU性能的关系。
各种低聚物多元醇的种类与所制PU性能的
极性强的聚酯作软段得到的水性聚氨酯弹性体及泡沫的力学性能较好。聚酯型水性聚氨酯的强度、耐油性、热氧化稳定性比PPG聚醚型的高，但耐水解性能比聚醚型的差。聚四氢呋喃(PTMEG)型聚氨酯由于PTMEG结构规整，易形成结晶，强度与聚酯型的不相上下。一般来说，聚醚型聚氨酯，由于软段的醚基较易旋转，具有较好的柔顺性，有优越的低温性能，并且聚醚中不存在相对较易水解的酯基，其耐水解性比聚酯型的好。以聚丁二稀为软段的水性聚氨酯，软段极性弱，软硬段间相容性差，弹性体强度较差。
含有侧链的软段，由于位阻作用，氢键弱，结晶性差，强度一般比相同软段主链的无侧基聚氨酯差。
软段的分子量对聚氨酯的力学性能有影响，一般来说，假定聚氨酯分子量相同，其软段若为聚酯，则PU的强度随聚酯二醇分子量的增加而提高;若软段为聚醚，则PU的强度随聚醚二醇分子量的增加而下降，不过伸长率却上升。这是因为聚酯型软段本身极性就较强，分子量大则结构规整性高，对改善强度有利;而聚醚软段则极性较弱，若分子量增大，则PU中硬段的相对含量就减小，强度下降。
软段的结晶性对线型聚氨酯链段的结晶性有较大的贡献。一般来说结晶性对提高聚氨酯制品的性能是有利的，但有时结晶会降低材料的低温柔韧性，并且结晶性聚合物常常不透明。为了避免结晶，可打乱分子的规整性，如采用共聚酯或共聚醚多元醇，或混合多元醇、混合扩链剂等。
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