基于动态共价键和悬挂链协同作用的可控宽温域高阻尼聚氨酯弹性体

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橡胶类弹性体阻尼材料现阶段面临的主要问题是其阻尼和阻尼温域的可控性和预计性差,即材料只能在其使用温度范围内的某段温度区间内呈现高阻尼,当材料的使用环境温度变化较大时,往往会出现阻尼失效情况,造成生产生活中巨大的经济损失。同时阻尼材料还面临着阻尼性能和力学性能难以兼顾的弊端,现有的获得较宽温度范围内阻尼性能优异的材料的改性方法一般都是以牺牲力学性能作为为代价,这也导致了其应用领域十分狭窄。因此如何提高弹性体阻尼材料阻尼性能的可控性同时兼顾其力学性能是当前阻尼材料研究的重点和难点。聚氨酯弹性体材料的综合性能较为优异,一般情况下聚氨酯的Tg位于室温以下,其在玻璃化转变区具有较好的阻尼性能,但Tg以上温度范围内的阻尼性能较差难以满足实际需要。聚氨酯特殊的微相分离结构和其结构的高度可设计性十分适合于作为探究橡胶类弹性体阻尼性能可控性的研究对象,同时聚氨酯具备良好的力学性能。本课题基于聚氨酯的分子结构设计,将少量悬挂链和动态共价键-二硫键引入到聚氨酯的网络结构中,利用少量悬挂链提升聚氨酯从Tg到室温的阻尼性能,利用二硫键的动态交换提升聚氨酯室温以上的阻尼性能,基于两者的协同作用最终实现聚氨酯在其使用温度范围内阻尼性能的可控性,同时少量的悬挂链可以保证材料一定的力学性能。考虑到聚氨酯耐热性差的缺点,选用热稳定性好的聚硅氧烷作为悬挂链,在提升聚氨酯阻尼性能的同时提高其耐高温性能。我们首先将动态二硫键引入到聚氨酯体系中,从提高分子链的摩擦损耗、分子间作用力的解离与重组、二硫动态共价键的断裂与重组的角度出发,探究了不同扩链系数、不同含二硫键小分子扩链剂的结构、不同二硫交换的催化剂和催化剂含量对聚氨酯的微相分离程度、阻尼性能、分子链链段运动能力和力学性能的影响。当聚氨酯材料的扩链系数选择1.4,扩链剂选择2,2’-二氨基二苯二硫醚,二硫交换催化剂选择Cu Cl2且添加量为二硫键摩尔量的1/30时,聚氨酯的有效阻尼温域(tanδ≥0.3)可达148℃(-48℃~100℃),拉伸强度为16.8MPa,断裂伸长率为926%。在引入了动态二硫键的基础上进一步引入硅氧烷悬挂链,探究了不同硅氧烷悬挂链含量、不同硬段结构、不同软段结构和软段分子量对于聚氨酯微相分离程度、阻尼性能和力学性能的影响。并探究了硅氧烷悬挂链对于聚氨酯材料耐高温性能的影响。当悬挂链含量达到20%时,聚氨酯的有效阻尼温域可达182℃(-62℃~120℃),拉伸强度为6.8MPa,断裂伸长率为695%,并可在100~120℃的温度下长期使用。
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