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安全轮胎用聚氨酯材料耐热性研究

文章来源:2016聚氨酯年会 添加时间:2019-02-26
孙海欧  杜俊超
( 黎明化工研究设计院有限责任公司  河南洛阳 471001)
摘  要:通过对安全轮胎内部聚氨酯填充材料热失重图谱分析,对聚氨酯材料耐热性进行了研究,优化了配方,提高了聚氨酯材料的耐热性。
关键词:聚氨酯;安全轮胎;耐热性
聚氨酯安全轮胎是采用聚氨酯材料填充空心橡胶轮胎的办法生产而成。因填充的聚氨酯材料具有物理性能好、软硬度易调节、形变恢复快、滞后生热少及稳定性高等特点,所以安全轮胎具有无需充气、不怕刺破、承载力强、重压下变形小、使用和维护方便、使用寿命长和回弹性好等许多优点,其良好的车辆稳定性,更安全的轮胎恒压效果,有助于轮胎在恶劣环境下的使用。可大量用于各种行驶速度较低、车载质量较大的工程车辆及港口码头等路面条件较差的场合 [1]
安全轮胎在连续行驶过程中,由于聚氨酯分子内摩擦,会产生内生热,轮胎胎芯温度升高,温度升高到一定程度,小分子物质将会从填充材料内析出,聚氨酯链段将会发生分解,从而破坏轮胎内部结构,降低其使用寿命。因此,提高内部填充材料的耐热性,可以延长轮胎的连续使用时间,并提高轮胎的使用寿命。
1    实验部分
1.1 原料
2,2,4-三甲基-1,3-戊二醇双异丁酸酯(TXIB),工业品,美国eastman公司;邻苯二甲酸二辛酯(DOP),工业品,美国eastman公司;稀释剂 LM-07,自制;3,5- 二乙基甲苯二铵(DETDA),工业品,美国 Albemarle 公司;扩链剂LAP-1 ,工业品,自制;甲苯二异氰酸酯( TDI),工业品,巴斯夫化学公司;4,4'-二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),工业品,烟台万华聚氨酯股份有限公司;防老剂FP-01,自制。
1.2    设备和模具
轮胎灌注机一台,自制;钢制模具,自制,规格为170 mm×170 mm×6 mm。
1.3    生产方法
1.3.1    多元醇组分(A 组分)制备
按一定比例将部分聚醚多元醇、扩链剂、催化剂、稀释剂和防老剂等组分均匀混合,制备 A 组分。
1.3.2    异氰酸酯组分(B 组分)制备
在装有搅拌器、温度计的反应釜中一次投料加入异氰酸酯,将其加热到60~70℃,边搅拌边加入聚醚多元醇、稀释剂,80~90℃保温3h,进行氨酯化反应,取样测定NCO含量。
1.3.3    制片
将 A 组分与 B 组分按比例混合均匀后,浇入模具中,室温固化7d后,形成聚氨酯弹性体胶片,进行物理性能测试。
1.4    性能测试方法
制品邵A 硬度按GB/T 531.1—2008标准测试;拉伸强度按GB/T 528—2009标准测试;撕裂强度按GB/T 529—1999标准测试;回弹率按 GB/T 1681—2009标准测试;压缩永久形变按 GB/T 6669—2008标准测试。
2    结果与讨论
2.1    不同扩链剂对聚氨酯固化物性能的影响
安全轮胎要求承载力强、压缩形变小、避震性能好和耐热性好。一般来说,耐热性可用初始热分解温度来表征。本研究采用热失重图中的 onset 温度作为初始分解温度来进行分析。根据材料要求及工艺条件,对扩链剂进行了筛选 [2]。表 1 是不同扩链剂对聚氨酯固化物的物理性能的影响。图 1 是 DETDA 所制得固化物的热失重图。
图 2 是 LAP-1 所制得固化物的热失重图。
表 1    不同扩链剂对聚氨酯固化物的物理性能的影响
图 1   DETDA 所制得固化物的热失重图
图 2    LAP-1 所制得固化物的热失重图
由表 1、图 1 和图 2 可以看出,相同硬度时,LAP-1 的添加量较 DETDA 多,拉伸强度和回弹性相当,但采用扩链剂 LAP-1 的固化物的 onset 温度为 193.6℃,图 2 中采用 DETDA 的固化物的onset温度为 163.46℃,耐热性较好。
2.2   不同异氰酸酯对聚氨酯固化物性能的影响
聚氨酯填充材料所用异氰酸酯主要包括 TDI和MDI。 TDI异氰酸根含量高,黏度低,操作方便,MDI蒸汽压较小、毒性低。在上述使用扩链剂LAP-1的基础上,异氰酸酯采用 TDI/MDI 质量比为95∶5 的T/M 体系替代 TDI体系进行对比。表 2 是不同异氰酸酯对固化物的物理性能的影响,图 3 是 T/M 体系所制得固化物的热失重图。
表 2   不同异氰酸酯对聚氨酯固化物的物理性能的影响
图 3    T/M 体系所制得固化物的热失重图
由表 2、图 2 和图 3 可以看出, TDI体系所得固化物硬度低、撕裂强度高、回弹性好,T/M 体系所得固化物压缩永久形变较小,T/M体系所得固化物onset温度为215.89 ℃,相较图2中 TDI体系的onset温度为193.6 ℃,耐热性较好。
2.3   不同稀释剂对聚氨酯固化物耐热性的影响
稀释剂是安全轮胎生产中必不可少的组分,为降低聚氨酯填充原液的黏度和原料成本,需要加入一定量的稀释剂,其对固化物的耐热性影响至关重要。某些稀释剂的相对分子质量较小、沸点低,在受压受热时容易迁移、析出,破坏聚氨酯填充材料的结构,从而降低安全轮胎的使用寿命。
在上述T/M 体系配方基础上,合成了与聚醚多元醇和异氰酸酯互容性较好、苯环含量高、价格低廉的稀释剂 LM-07,在100 质量份原料中,稀释剂LM-07 的加入量为60 份,替代上述T/M 体系配方中的稀释剂混合物 TXIB∶DOP 的质量比为 1∶3,制品无油析出现象。图 4 是 LM-07 所制得固化物的热失重图。
对比图 3 和图 4 可以看出,LM-07 所得固化物 onset 温度为 241.43 ℃,相较图 3 中 TXIB 和 DOP 混合稀释剂体系的 onset 温度为 215.89℃,耐热性有所提高。
图 4    LM-07 所制得固化物的热失重图
2.4    防老剂对聚氨酯固化物耐热性的影响
安全轮胎在长时间行驶过程中,由于有一定的负荷压力,聚氨酯固化物分子间互相摩擦,将会产生内生热,胎芯温度将会持续升高,在一定温度内,将会发生分子链断裂,固化物逐渐发粘、变硬发脆或龟裂,降低轮胎的使用寿命,如果长时间连续行驶,里面填充的聚氨酯固化物甚至会直接液化,直接导致轮胎报废。本实验在图 4 配方的基础上,加入0.5%左右的防老剂 FP-01,测试其耐热性。图 5 是FP-01所制得固化物的热失重图。
图 5    FP-01 所制得固化物的热失重图
对比图 4 和图 5 可以看出,其onset温度由241.43 ℃上升至248.84 ℃,耐热性有一定改善。
3    结论
(1)对安全轮胎内部的聚氨酯填充材料耐热性进行了研究,聚氨酯配方中的扩链剂、稀释剂、防老剂和异氰酸酯种类对聚氨酯材料的耐热性有一定影响;
(2)通过采用新型扩链剂 LAP-1、稀释剂 LM-07、防老剂 FP-01、 TDI和 MDI 掺混等方法,填充的聚氨酯固化物的onset 温度由163.46 ℃上升至248.84 ℃,耐热性有明显提高。
参  考  文  献
[1]    岳红旭,许靖,胡国强.安全轮胎国内外发展现状 [J].轻型汽车技术,2011(9):3-7.
[2]    杜俊超,孙海欧,于文杰.填充轮胎用聚氨酯材料的研究 [J].化学推进剂与高分子材料,2013,11(1): 51-54.
Study on Heat Resistance of Polyurethane Materials for Safety Tires
SUN Haiou,DU Junchao
( Liming Research Institute of Chemical Industry,Luoyang,Henan 471000,China )
Abstract:The formula was optimized and the heat resistance of polyuerthane materials were improved,through studying thermo-gravimetric curve of safety tire inner polyurethane filler material ,studying on polyurethane material of heat resistance .
Keywords:polyurethane;safety tires;heat resistance
作者简介:孙海欧   男,1982 年出生,高级工程师,主要从事玻璃纤维增强聚氨酯材料配方研究工作。

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