一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体及其制备方法

本发明涉及一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体及其制备方法，属于聚氨酯。

背景技术：

1、聚氨酯因为其力学性能优异、形变能力良好、生物相容性和耐溶剂性强、适用范围多样而被誉为“第五大塑料”。其由异氰酸酯和多元醇为主要原料制备而成，多种结构的异氰酸酯和多元醇的组合使得可以根据使用性能对其聚氨酯的分子结构进行设计。聚氨酯材料广泛应用于煤炭工业、交通建筑、机械工程、电子电气和生物医学等诸多领域。然而，针对当前聚氨酯阻尼领域的研究内容，在低成本体系简单配方下仍普遍存在聚氨酯温域固定，难以满足多种工况如低温（-50℃~-30℃）、常温（10℃~30℃）以及高温（50℃~）的多场景通用阻尼材料的发展需求。

2、低成本简单配方的聚氨酯材料阻尼温域几乎不会超过50℃，而且阻尼温域固定，如常见含聚醚多元醇330n体系的聚氨酯材料的阻尼温域一般在-50℃~-10℃，在低温的工况如冻土、高原的应用已经得到验证，但该种材料难以满足室温及高温阻尼材料的需求。针对聚氨酯材料拓宽阻尼温域的研究目前也是聚氨酯领域热切关注的问题，研究中常用的手段为在体系中引入动态键或离子键，但这些方法通常需要昂贵的原料或者实验室自研的扩链剂组分来实现。因此亟需开发在低成本下实现宽阻尼温域聚氨酯材料的实施方法或工艺。

3、目前已有学者提出将两个不同阻尼温域的聚氨酯材料叠层来制备宽聚氨酯阻尼材料的方法，nataliia babkina等人（polym adv technol. 2023）采用了先固化第一层聚氨酯再浇筑第二层聚氨酯的实施工艺，复合样品的dma测试结果表明存在两种聚氨酯材料的阻尼峰，实现了温域的连接，但其阻尼温域并未得到拓宽。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体及其制备方法。通过对聚氨酯配方及制备工艺进行优化，得到的叠层聚氨酯弹性体不仅实现了两层聚氨酯各自温域的结合，还具备了更宽的阻尼温域，在多种温度工况下达到损耗因子高于0.2，即材料可以满足多个工况下对阻尼材料的需求，还可以满足工业化大批量生产的需求。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体，由第一层聚氨酯和第二层聚氨酯叠层复合而成，第一层聚氨酯a组分和b组分混合固化10~30min后，浇注混合后的第二层聚氨酯c组分和d组分，固化成型，得到叠层阻尼型聚氨酯弹性体；

4、以制备所述a组分的原料总质量为100%计，各原料成分及其质量分数如下：聚多元醇88%~97%，二醇类扩链剂3%~12%；所述b组分是二异氰酸酯与聚二元醇预聚反应形成的-nco值在10~15之间的预聚体；a组分含有的活泼-oh与b组分含有的-nco基团的摩尔比为1:1~1.2；

5、以制备所述c组分的原料总质量为100%计，各原料成分及其质量分数如下：聚二元醇88%~97%，二醇类扩链剂3%~12%；所述d组分是二异氰酸酯、三元醇或聚三元醇预聚反应形成的-nco值在4~8之间的预聚体；c组分含有的活泼-oh与d组分含有的-nco基团的摩尔比为1:1~1.2；

6、第一层聚氨酯与第二层聚氨酯的质量比为0.8~1.2:1。

7、优选的，a组分中，所述聚多元醇为聚二元醇和聚醚330n多元醇中的一种以上。更优选的，所述聚二元醇的分子量分别为800~1200，聚醚330n多元醇的分子量为4600~4800。

8、优选的，以制备所述b组分的原料总质量为100%计，各原料成分及其质量分数如下：异氰酸酯55%~65%，聚二元醇35%~45%。

9、优选的，c组分中，所述聚二元醇的分子量为960~1200。

10、优选的，以制备所述d组分的原料总质量为100%计，各原料成分及其质量分数如下：异氰酸酯45%~55%，三元醇或聚三元醇48%~55%。

11、优选的，d组分中，所述三元醇或聚三元醇为聚己内酯三醇、蓖麻油和聚氧化丙烯三醇中的一种以上。更优选的，所述三元醇或聚三元醇的分子量为900~1100。

12、优选的，所述聚二元醇为聚丁二醇（ptmg）、聚丙二醇（ppg）和聚乙二醇（peg）中的一种以上。

13、优选的，所述二异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯（mdi）、六亚甲基二异氰酸酯（hdi）和异佛尔酮二异氰酸酯（ipdi）中的一种以上。

14、优选的，所述二醇类扩链剂为1,4-丁二醇（bdo）、1,3-丙二醇（pdo）、乙二醇（eg）和1,5-戊二醇（ptdo）中的一种以上。

15、一种本发明所述的叠层阻尼型聚氨酯弹性体的制备方法，方法步骤包括：

16、将a组分的原料混合均匀后得到a组分，将b组分的原料混合预聚反应得到b组分；将a组分、b组分预热至45~50℃；

17、将c组分的原料混合均匀后得到c组分，将d组分的原料混合预聚反应得到d组分；将c组分、d组分预热至45~50℃；

18、将预热后的a组分、b组分混合后浇注到模具中70~90℃下固化10~30min，加入预热后混合的c组分、d组分，70~90℃下固化2~4h，得到一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体。

19、优选的，预聚反应温度为80~85℃，反应时间为4~8h。

20、有益效果

21、本发明提供了一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体，所述聚氨酯弹性体由两层聚氨酯材料层层浇注形成，其中第一层聚氨酯材料的阻尼温域位于低温区，第二层聚氨酯材料的阻尼温域位于高温区，在控制第一层聚氨酯材料的固化时间的前提下，两层聚氨酯材料可以紧密的粘接在一起，同时会形成一层介于上下两层材料之间的共混层，可以更好地将两层材料结合起来。本发明有效拓宽材料阻尼温域，且实施起来相对便捷，工艺简单，合成成本低廉，可以大规模生产。

22、本发明提供了一种叠层阻尼型聚氨酯材料，需要严格控制第一层聚氨酯材料的固化时间，第一层材料的固化时间太短会导致无法与第二层材料很好的区分开从而导致两层聚氨酯材料的阻尼温域非但不能很好的叠加起来，而且出现了阻尼温域向中间靠拢的现象；而第一层聚氨酯材料固化时间太长则会导致两层聚氨酯材料无法出现层间互相渗透和分散的现象，结果也较差；当第一层聚氨酯材料完全固化后再浇筑第二层聚氨酯材料时，复合材料的阻尼温域仅仅是两层材料温域的简单叠加，并没有超出两层材料阻尼温域的范围。只有当控制好第一层聚氨酯材料的固化时间的情况下才能使固化完的叠层阻尼材料不仅实现两层材料阻尼温域的叠加，而且也会产生向高温温域的拓展，这就使得材料不仅可以满足低温及室温下的应用，同时可以在高温下满足阻尼材料的要求；拓宽了使用温度及应用范围。

23、本发明提供了一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体，所述聚氨酯弹性体的制备中，所有b组分原料组成中的异氰酸酯两端均含有-nco基团，（聚）多元醇两端均含有-oh基团，两者在初步合成预聚体之后，在室温条件下能够长时间储存。后续可以根据生产需要的不同添加a组分原料中不同种类的高分子长链段（如ptmg、ppg等），交联剂（如聚醚多元醇330n、蓖麻油等）以及扩链剂（如bdo、pdo等），上述原料在常温条件下便能够发生聚合产生聚氨酯材料，之后通过调整a、b两组分的配比可获得不同效果的成品；所述方法步骤简单，实验配方可根据生产需求进行更改，能够进行工业化生产。

24、本发明提供了一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体，所述聚氨酯弹性体的制备中，预聚体的预热温度需保持45~50℃是预聚体保存的关键，在55~80℃的温度作用下预聚体将会发生自聚。预聚体的两端由异氰酸根（-nco）进行封端，在常温环境下有和主要原料中扩链剂，交联剂等成分中的羟基进行聚合的倾向，通过这种聚合方式能够促进反应正向进行，加快反应速率。

25、本发明提供了一种叠层阻尼型聚氨酯弹性体，所述聚氨酯弹性体的制备中，需要控制预聚体的异氰酸根含量，异氰酸根含量过低会导致聚氨酯粘度增大，不易扩链，结构难以成型，无法得到可以实际应用的聚氨酯异氰酸根含量过高则会导致反应活性激增，不易调控聚氨酯的成型与加工。