输送带用室温固化聚氨酯修补胶的制备与性能研究

作     者：冯桐伟 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田明

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：表面改性 聚氨酯修补胶 室温固化 软硬段含量 相结构 软段分子量 粘接性能 

摘      要：橡胶输送带被采矿等行业广泛利用,但常因受到磨损而影响正常使用。聚氨酯胶黏剂由于性能优异常被选作修补胶对橡胶磨损处进行现场快速修补,但现有聚氨酯修补胶对橡胶的粘接强度及其它性能难以满足实际需求,且聚氨酯材料的结构组成与粘接性能等性能间关系的研究尚不完善,无法对聚氨酯修补胶的综合性能进行宏观调控。因此,基于以上所存在的实际问题,本课题设计并成功制备了可室温固化的具备高粘接性能的聚氨酯修补胶,并通过对橡胶基体进行表面改性,实现了对橡胶输送带的快速修补,同时从软硬段含量、黏度、软段结构、软段分子量等角度对聚氨酯修补胶的粘接性能及其它性能展开综合研究,为聚氨酯修补胶的制备与性能调控提供了理论支持,对橡胶输送带在室温或低温下的快速修补具有重要的实际意义。本文的主要研究如下:（1）在本论文的第二章,为解决弱极性丁苯橡胶（SBR）基体难以被有效粘接的问题,将三氯异氰尿酸（TCCA）作为改性剂对弱极性SBR橡胶基体进行表面处理,研究了TCCA对SBR橡胶的化学改性机理,对TCCA的浓度进行优化,并对TCCA表面改性的破坏性进行分析。结果表明,TCCA通过与SBR橡胶基体发生氯化和氧化反应从而实现表面改性,改性后SBR橡胶表面能提高至12.35 m J·m,改性后SBR橡胶表面出现裂纹从而增大粗糙度,随着TCCA改性剂浓度的提高裂纹密集程度增加,改性后的SBR橡胶基体表面产生氯化层,氯化层深度约为10μm,1～4 wt%低浓度TCCA改性剂不会对SBR橡胶主体造成破坏,TCCA改性剂的最佳浓度为3 wt%,改性后聚氨酯修补胶对SBR的粘接强度最高可由0.51 N/mm增大至6.92 N/mm。（2）在本论文的第三章,为解决聚氨酯修补胶对SBR橡胶粘接性能差的问题,选用分子结构规整的聚四氢呋喃二醇（PTMG-1000）作为软段,与二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）反应制备预聚体,以3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）为扩链剂,基于预聚体法合成了PTMG-MDI体系聚氨酯修补胶,研究了软硬段含量对PTMG-MDI体系聚氨酯修补胶室温固化性能、粘接性能及其它性能的影响。结果表明,对于PTMG-MDI体系聚氨酯修补胶,随着硬段含量的增加,软硬段间微相分离程度、羰基氢键化程度、表面能、室温下固化速率、硬度、与改性后SBR橡胶的粘接性能显著增大,粘接强度最高可达到11.73 N/mm,拉伸强度先增大后减小,最高可达到20.8 MPa,损耗峰值、断裂伸长率、耐磨性能显著下降。同时,我们还通过调节溶剂的加入量改变黏度,分析了胶液黏度对粘接性能的影响机理。结果表明,随着黏度的减小,PTMG-MDI体系聚氨酯修补胶在SBR橡胶基体表面的附着层深度增加,两相间的粘接性能先增大后减小。（3）在本论文的第四章,为解决PTMG-MDI体系聚氨酯修补胶强度低、润湿性差的问题,选用类型和分子结构不同的2000分子量的聚己内酯二醇（PCL）、聚四氢呋喃二醇（PTMG）、聚丙二醇（PPG）、端羟基聚丁二烯（HTPB）为低聚物二元醇,同样选用MDI为二异氰酸酯,选用MOCA为扩链剂,基于预聚体法合成了CPU-PCL、CPU-PTMG、CPU-PPG、CPU-HTPB四种不同软段的MDI体系聚氨酯修补胶,研究了软段类型及软段结构对MDI体系聚氨酯修补胶室温固化性能、粘接性能及其它性能的影响。结果表明,CPU-PCL由于分子结构中强极性酯基的存在,使得其表面能、固化速率、拉伸强度、硬度以及对改性后SBR橡胶的粘接性能最佳,而耐磨性能最差;CPU-PTMG的各项性能较为均衡;CPU-HTPB分子结构中弱极性碳碳双键的广泛分布,使得其表面能最低而断裂伸长率和耐磨性能最佳;CPU-PPG由于分子结构中侧甲基严重影响结构规整性和分子链间的相互作用,导致其室温下固化速率、拉伸性能以及对改性后SBR橡胶的粘接性能最差,不满足聚氨酯修补胶的实际应用需求。同时,选用600、1000和2000分子量的PCL和PTMG作为低聚物二元醇,同样选用MDI为二异氰酸酯,选用MOCA为扩链剂,基于预聚体法合成了两组软段长度不同的MDI基聚氨酯修补胶,研究了软段长度即软段分子量对MDI体系聚氨酯修补胶室温固化性能、粘接性能及其它性能的影响。结果表明,随着软段分子量的增大,分子链柔顺性提高但分子内聚力受到影响,导致MDI基聚氨酯修补胶的固化速率、粘接强度、拉伸强度、硬度显著降低,断裂伸长率、耐磨性能显著提高。