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(TPU) 如何得到最佳的发泡效果和回弹性能?

(TPU) 如何得到最佳的发泡效果和回弹性能?

  • 分类:行业动态
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  • 发布时间:2020-11-30 11:06
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【概要描述】

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以纳米黏土为成核剂,偶氮二甲酰胺( AC) 为化学发泡剂,对 TPU进行注射发泡成型。研究发现,发泡体系中不同成核剂含量、不同发泡剂含量对TPU 发泡制品的泡孔形态结构及力学性能有影响。结果表明,纳米黏土的添加有利于提高TPU 注射发泡试样的发泡效果和回弹性能。当纳米黏土和AC 发泡剂的质量分数分别为0. 6%和3%时,可得到最佳的发泡效果和回弹性能


TPU是一种加热可以塑化、加入溶剂可以溶解的弹性体,由硬段和软段组成,存在两相微观结构,是一种嵌段聚合物,又被称为热塑性聚氨酯橡胶。TPU 具有高强度、高韧性、高弹性等优良的物理力学性能,还具有耐腐蚀、耐磨、耐油、减震能力强等优异的综合性能。因其加工性能较好,被广泛应用于国防、医疗、汽车、食品、服饰等行业。

由于TPU 材料硬度范围广,硬度较高,密度较大,限制了它的应用,为解决这些问题,国内外学者对TPU 的发泡成型做了大量的研究来降低发泡材料的密度,提高试样的回弹性能。通过挤出发泡成型、注射发泡成型、间歇发泡成型得到轻质微孔TPU 发泡材料。

在TPU 注射发泡成型的研究中,前人多采用物理发泡法,有关化学发泡法的研究较少,且发泡效果不理想。为研究发泡体系对TPU 注射发泡成型的影响,本文选用纳米黏土为成核剂,偶氮二甲酰胺( AC) 为发泡剂,加入注塑机中,通过化学发泡注射成型,研究了发泡体系对制品泡孔形态结构和物理、力学性能的影响。

1 实验部分
1. 1 主要原料

TPU: Elastollan 1180A10,德国BASF 公司; 纳米黏土: 1 250 目,灵寿县展腾矿产品加工厂; 偶氮二甲酰胺( 发泡剂) : AC180,纯度99. 9%,青岛胜达新川工贸有限公司; 液体石蜡: 化学纯,国药集团化学试剂有限公司。

1. 2 主要设备及仪器

注塑机: TTI-90F2,东华机械有限公司; 多功能密度测试仪: AR-300VP,东莞市宏拓仪器有限公司-宏达美拓; 扫描电子显微镜( SEM) : S-4700,日本Hitachi 公司; 万能材料试验机: KXWW-20C,承德市科标监测仪器制造有限公司; 橡胶冲击弹性试验机: MZ-4065,江苏明珠试验机械有限公司。

1. 3 试样制备

表1 给出的是试样制备阶段注塑机的注射工艺参数。实验中使用的为实验室自制压缩模具,成型的试样为符合GB /T 1040. 1—2006 的拉伸样条。TPU 首先在100 ℃下干燥4 h,之后与偶氮二甲酰胺( 质量分数2%) 混合,再分别与不同质量分数的成核剂纳米黏土混合均匀后,加入注射机中进行注射发泡成型。

通过上述实验,得出最佳的纳米黏土含量后,将同样条件下干燥的TPU 与上述含量的纳米黏土混合,再分别与不同含量的AC 发泡剂混合均匀后,加入注射机中进行注射发泡成型。

 


1. 4 测试与表征

发泡试样表观密度的测定: 使用精度为0. 001 的多功能密度测试仪直接测量多个发泡试样的表观密度ρf。

发泡试样表面形态的表征: 将发泡试样置于液氮中充分冷却后脆断,在断面上喷金,用SEM 观察该断面,得到图片。使用Image J 软件对所得SEM 图片中的泡孔数目和泡孔直径进行统计,之后取平均值。计算泡孔密度所依据的公式如式( 1) :
式中,N0-发泡制品的泡孔密度,个/cm3 ; n-所统计面积上泡孔的个数,个; S-电子显微镜上选择的统计面积,cm2 ; ρu-未发泡试样的密度,g /cm3。力学性能的测定: 使用万能材料试验机对制得的注塑发泡试样进行拉伸性能测试,拉伸试样由制得的样条裁得,所依据的标准为GB /T 528—2009。使用橡胶冲击弹性试验机对制得的注塑发泡试样进行回弹率测试,回弹试样由制得的样条裁得,所依据的标准为GB /T 1681—2009。

2 结果与讨论

2. 1 纳米黏土对TPU 发泡试样泡孔结构及性能的影响

从图1 和图2 中可以看出,随着纳米黏土质量分数的增加,泡孔密度先增大后减小,泡孔直径先减小后增大。在未添加纳米黏土时,试样的发泡效果极差,平均泡孔直径和泡孔密度分别为285. 5 μm 和4. 6× 104 个/cm3 ; 当纳米黏土质量分数为0. 6%时,发泡效果最好,此时泡孔密度为3. 1×105个/cm3,是未添加纳米黏土时的6. 7 倍,平均泡孔直径为134. 6μm,减小了52. 9%。当纳米黏土质量分数超过0. 6%时,出现泡孔合并,泡孔直径变大,泡孔密度降低。由此可知,纳米黏土的添加对TPU 的注射发泡成型起着积极的作用,但也不宜含量过高,继续添加纳米黏土,泡孔的密度反而会降低。
从图3 中可以看出,纳米黏土的含量对TPU 发泡试样的拉伸强度及断裂伸长率的影响趋势相近。不添加成核剂时,试样的发泡效果较差,其拉伸强度及断裂伸长率均较高,这时TPU 发泡试样的拉伸强度为18. 35 MPa,断裂伸长率为588. 6%。当纳米黏土质量分数从0%增加到1. 0%时,拉伸强度为12. 1MPa,降低了34. 1%,断裂伸长率为431. 4%,下降了26. 7%。纳米黏土的添加,使试样中的泡孔数目增多,试样的密实程度降低,拉伸性能也降低。
如表2 所示,随着纳米黏土含量的增加,TPU发泡试样的回弹率先增大后减小。未添加纳米黏土时,试样的回弹率为26. 5%,当纳米黏土质量分数为0. 6%时,回弹率取得最大值32. 1%,这是由于这时试样中泡孔密度较大,分布较均匀,泡孔间均匀的间隙为试样的回弹性能提供支撑。若继续添加纳米黏土,内部泡孔出现合并及塌陷,泡孔不均匀,发泡效果会降低,TPU 发泡试样的回弹率也随之降低,说明试样的回弹性能受到了抑制。
当纳米黏土质量分数为0. 6%时,TPU 的发泡试样的发泡质量较高。这时的泡孔密度最大,平均泡孔直径最小,同时回弹率最佳。由此确定发泡体系中最佳的纳米黏土含量为0. 6%。

2. 2 发泡剂含量对TPU 发泡试样泡孔结构及性能的影响
图4 为在TPU 中添加不同含量的发泡剂( 纳米黏土含量为0. 6%) 时,注射试样断面的SEM 照片。图5 为发泡剂含量对TPU 发泡试样平均泡孔直径和泡孔密度的影响。从图中可以看出,随着发泡剂含量的增加,泡孔密度先增大后减小,泡孔直径先减小后增大。当发泡剂质量分数为1%时,泡孔密度为1. 3×104个/cm3,平均泡孔直径为343. 8 μm。当发泡剂质量分数达到3%时,泡孔最为均匀,此时泡孔密度为3. 2×105个/cm3,是发泡剂质量分数为1%时的24. 7倍,泡孔直径为110. 3 μm,减小了67. 9%; 而当发泡剂含量继续增加时,泡孔直径变大,出现破裂及合并,泡孔分布不均匀,发泡效果不理想。

如图6 所示,在未添加发泡剂时,拉伸强度为34 MPa,断裂伸长率为590%。当体系中发泡剂含量逐渐增加时,试样的拉伸强度逐渐下降,断裂伸长率先降低再升高最后下降。随着发泡剂的逐渐增加,制品中泡孔逐渐增多,试样的韧性逐渐降低。当发泡剂质量分数升至4%时,拉伸强度为12. 65 MPa,降低了62. 8%,断裂伸长率为521. 6%,降低了11. 6%。
如表3 所示,随着发泡剂含量的增加,试样的回弹率先提高后降低。结合图5 和图6 可知,发泡剂含量的提高,使试样中泡孔密度增大,提高了试样的弹性。当发泡剂含量为0 时,试样的回弹率为25%,当发泡剂质量分数为3% 时,回弹率达到最大值33. 5%,提高了25. 4%。此后,继续增加发泡剂的含量,由于泡孔合并的作用,回弹率会降低。

当发泡剂质量分数为3%时,TPU 的发泡试样的发泡质量较高。这时的泡孔密度最大,平均泡孔直径最小,同时也得到最佳的回弹率。由此确定发泡体系中最佳的发泡剂质量分数为3%。

3 结论
纳米黏土的添加有利于提高TPU 注射发泡试样的发泡效果和回弹性能。当纳米黏土的质量分数为0. 6%时,可得到具有最佳发泡效果和回弹性能的样品。

提高发泡体系中的发泡剂含量有利于提高TPU注射发泡试样的发泡效果和回弹性能。当AC 发泡剂的质量分数为3%时,可得到最佳的发泡效果和回弹性能的样品。

 

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