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CN112831176B - 三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法 - Google Patents

三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法，材料其包括三维骨架和填充在三维骨架内的聚氨酯，所述聚氨酯原料包括：至少一种多元醇、异氰酸酯和增链剂，其中，异氰酸指数为0.9‑2，扩链系数为1，通过在3D打印智能设计三维网状骨架，然后在三维网状骨架内填充聚氨酯制备得到。本发明将聚氨酯与3D打印的三维网状骨架复合制备成功能材料可以抵抗外界冲击力，聚氨酯提高材料的阻尼性能，3D打印的三维网状骨架可以保持材料的结构抵抗刚性形变，从而达到缓冲吸能、抵抗形变。

Description

三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法
技术领域
本发明涉及聚氨酯吸能缓冲材料及制备，具体涉及一种三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法。
背景技术
聚氨酯弹性体最重要的特征是具有带氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)的主链，其可形成内部氢键和外部氢键。由于合成聚氨酯的原料和配方种类繁多，弹性体的性能可以调整到很宽的范围。加工方法也各不相同。聚氨酯橡胶具有密封、耐水、耐酸碱、耐腐蚀、耐老化等优异性能，在航空航天、船舶制造、汽车工业、石油化工、高层建筑和环境工程等国民经济领域都得到广泛应用。高分子聚合材料耗损能量的能力强，损耗因子大，阻尼性能好，这是因为高分子材料独特的黏弹性。但聚氨酯材料内生热大，若需在高频振荡条件或高温条件下长期作用容易形变。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料及制备方法，解决现有聚氨酯材料内生热大，吸能效果差、长期使用容易形变的问题。
技术方案：本发明所述的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料，其包括三维骨架和填充在三维骨架内的聚氨酯，所述聚氨酯原料包括：至少一种多元醇、异氰酸酯和增链剂，其中，异氰酸指数为0.9-2，扩链系数为1。
其中，，所述的多元醇为聚己内酯多元醇、聚碳酸酯二元醇、聚氧化丙烯多元醇、聚四氢呋喃多元醇或聚己二酸丁二醇酯二醇等分子量为1000-3000的多元醇。
所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、1,5-萘-二异氰酸酯NDI和二甲基联苯二异氰酸酯中的至少一种。
所述扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇、三羟甲基丙烷、二乙基甲苯二胺、二甲基硫代甲苯二胺、4,4'-亚甲基双(3-氯-2,6-二乙基苯胺)和3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺中的至少一种。
其三维骨架采用3D打印而成，三维骨架的基本结构单元为采用不三角形或菱形作为基本元素构建的正八面体或平行十二面体。
所述三维骨架是以双酚F环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA作为稀释剂，TPO作为光引发剂合成光敏树脂，以DLP光固化3D打印成型。
本发明所述的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，得到3D打印的三维网状骨架；
(2)将计量好的多元醇，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量好的异氰酸酯恒温反应得到预聚体组分待用；
(3)将计量好的扩链剂，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用；
(4)将步骤(3)的扩链剂组分和步骤(2)的预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
(5)向聚四氟乙烯模具中放入步骤(1)的三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
有益效果：本发明将聚氨酯与3D打印的三维网状骨架复合制备成功能材料可以抵抗外界冲击力，聚氨酯提高材料的阻尼性能，3D打印的三维网状骨架可以保持材料的结构抵抗刚性形变，从而达到缓冲吸能、抵抗形变，本发明以正八面体为结构单元和菱形十二面体为结构单元的三维网状骨架在达到最大抗压强度后的失效过程均较为缓慢，该树脂骨架灌注聚氨酯桨体制备高分子弹性体，设计的三维网状骨架结构能提高弹性体的形变恢复率，并且可以减少聚氨酯弹性体由于阻尼性能在高频振荡条件下把外界的动能转换为内能而生成的内生热，从而提高聚氨酯弹性体的耐候性，把3D打印三维网状骨架加入聚氨酯中，具有良好的能量耗散作用。
附图说明
图1为3D打印智能设计三维网状骨架中正八面体结构骨架图；
图2为3D打印智能设计三维网状骨架中菱形十二面体结构骨架图；
图3为实施例在不同幅值下卸载的应变恢复率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
实施例1
三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备包括以下步骤：
(1)在软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架如图1所示，三维网状骨架也可以是如图2所示的菱形十二面体；
(2)将计量好的聚四氢呋喃二醇PTMG2000，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量好的二苯基甲烷二异氰酸酯恒温反应2小时左右，得到预聚体组分待用，异氰酸指数为1.2。
(3)将扩链系数为1.0计量好的扩链剂二乙基甲苯二胺，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用，将其与预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
(4)向聚四氟乙烯模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
实施例2
三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备包括以下步骤：
(1)在软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架如图1所示；
(2)将计量好的聚己内酯多元醇PCL2000，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量的甲苯二异氰酸酯恒温反应2小时左右，得到预聚体组分待用，异氰酸指数为1.4；
(3)将扩链系数为1.0计量好的扩链剂二乙基甲苯二胺，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用，将其与预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
(4)向聚四氟乙烯模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
实施例3
三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备包括以下步骤：
(1)在软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架如图1所示；
(2)将计量好的聚碳酸酯二元醇PCDL1000，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量好的二苯甲烷二异氰酸酯恒温反应2小时左右，得到预聚体组分待用，异氰酸指数为1.2。
(3)将扩链系数为1.0计量好的扩链剂3,5-二甲硫基甲苯二胺，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用，将其与预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
(4)向聚四氟乙烯模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
实施例4
三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备包括以下步骤：
(1)在软件中构建三维实体模型，再用DLP光固化的成型方式逐层打印，制备3D打印智能设计三维网状骨架如图1所示；
(2)将计量好的聚四氢呋喃醚二醇PTMG1000，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量的二甲基联苯二异氰酸酯恒温反应2小时左右，得到预聚体组分待用，异氰酸指数为1.6。
(3)将扩链系数为1.0计量好的扩链剂3,5-二甲硫基甲苯二胺，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用，将其与预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
(4)向聚四氟乙烯模具中放入3D打印智能设计三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤(3)中拌好的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
对实施例1-4的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料进行应变恢复率检测，以与实施例1-4相同结构的3D打印智能设计三维网状骨架作为对比例，结果如图3所示，由图3结果可得，加入3D打印三维骨架的聚氨酯复合材料，具有很好地变形恢复能力。由于具有超弹性的聚氨酯的填充，在复合材料卸载时，使得复合材料的变形恢复能力要明显优于纯3D打印三维骨架，并且由于3D打印智能设计三维网状骨架是刚性结构，可以很好的提高复合材料的抗压力学性能，并且以PTMG为软段的聚氨酯基体复合材料要比以PCL为软段和PCDL为软段聚氨酯基体复合材料的力学性能要好，由于PTMG分子链上的极性酯键而具有氢键，含有大量醚键，又含多个规则排列的亚甲基，因此力学性能较好。

Claims (4)

1.一种三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料，其特征在于，其包括三维骨架和填充在三维骨架内的聚氨酯，所述聚氨酯原料包括：分子量为1000-3000的聚四氢呋喃多元醇、异氰酸酯和增链剂，其中，异氰酸指数为0.9-2，扩链系数为1，其三维骨架采用3D打印而成，三维骨架的基本结构单元为采用三角形或菱形作为基本元素构建的正八面体或平行十二面体，所述三维骨架是以双酚 F 环氧丙烯酸酯树脂作为原料，TPGDA 作为稀释剂，TPO 作为光引发剂合成光敏树脂，以DLP光固化3D打印成型。
2.根据权利要求1所述的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料，其特征在于，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯甲烷二异氰酸酯、1,5-萘-二异氰酸酯NDI和二甲基联苯二异氰酸酯中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料，其特征在于，所述扩链剂为乙二醇、1,4-丁二醇、三羟甲基丙烷、二乙基甲苯二胺、二甲基硫代甲苯二胺、4,4'-亚甲基双(3-氯-2,6-二乙基苯胺)和3,3'-二氯-4,4'-二苯基甲烷二胺中的至少一种。
4.如权利要求1-3任一项所述的三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）构建三维实体模型，再用DLP 光固化的成型方式逐层打印，得到3D打印的三维网状骨架；
（2）将计量好的聚四氢呋喃多元醇，加热升温后真空脱水至无气泡产生，随后加入计量好的异氰酸酯恒温反应得到预聚体组分待用；
（3）将计量好的扩链剂，真空脱水至无气泡产生，制得扩链剂组分待用；
（4）将步骤（3）的扩链剂组分和步骤（2）的预聚体组分按计量混合后反应得到均匀液体；
（5）向聚四氟乙烯模具中放入步骤（1）的三维网状骨架，保持骨架在中间部位，将步骤（3）中的均匀混合液体分两次倒入模具，第一次达到一半深度，在振动台上振至浆体填满骨架，第二次加满继续振动使之密实，固化后即可得到三维网状骨架复合聚氨酯吸能缓冲材料。
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