聚氨酯分子结构与性能的关系

聚氨酯分子结构与性能的关系

聚氨酯由长链段原料与短链段原料聚合而成，是一种嵌段聚合物。一般长链二元醇构成软段，而硬段则是由多异氰酸酯和扩链剂构成。软段和硬段种类影响着材料的软硬程度、强度等性能。

2.3.1 影响性能的基本因素

聚氨酯制品品种繁多、形态各异，影响各种聚氨酯制品性能的因素很多，这些因素之间相互有一定的联系。对于聚氨酯弹性体材料、泡沫塑料，性能的决定因素各不相同，但有一些共性。

基团的聚能

聚氨酯材料大多由聚酯、聚醚等长链多元醇与多异氰酸酯、扩链剂或交联剂反应而制成。聚氨酯的性能与其分子结构有关，而基团是分子的基本组成成分。通常，聚合物的各种性能，如力学强度、结晶度等与基团的聚能大小有关。聚氨酯分子中，除含有氨基甲酸酯基团外，不同的聚氨酯制品中还有酯基、醚基、脲基、脲基甲酸酯基、缩二脲、芳环及脂链等基团中的一种或多种。各基团对分子引力的影响可用组分中各不同基团的聚能表示，有关基团的聚能（摩尔能）见表2-11。

表2-11 基团的聚能/（kJ/mol）

由表2-11可见，酯基的聚能比脂肪烃和醚基的聚能高；脲基和氨基甲酸酯基的聚能高，极性强。因此聚酯型聚氨酯的强度高于聚醚型和聚烯烃型，聚氨酯-脲的聚力、粘附性及软化点比聚氨酯的高。

聚氨酯材料的结晶性、相分离程度等与大分子之间和分子的吸引力有关，这些与组成聚氨酯的软段及硬段种类有关，也即与基团种类及密集程度有关。

氢键

氢键存在于含电负性较强的氮原子、氧原子的基团和含H原子的基团之间，与基团聚能大小有关，硬段的氨基甲酸酯或脲基的极性强，氢键多存在于硬段之间。据报道，聚氨酯中的多种基团的亚胺基（NH）大部分能形成氢键，而其部分是NH与硬段中的羰基形成的，小部分与软段中的醚氧基或酯羰基之间形成的。与分子化学键的键合力相比，氢键是一种物理吸引力，极性链段的紧密排列促使氢键形成；在较高温度时，链段接受能量而活动，氢键消失。氢键起物理交联作用，它可使聚氨酯弹性体具有较高的强度、耐磨性。氢键越多，分子间作用力越强，材料的强度越高。

结晶性

结构规整、含极性及刚性基团多的线性聚氨酯，分子间氢键多，材料的结晶程度高，这影响聚氨酯的某些性能，如强度、耐溶剂性，聚氨酯材料的强度、硬度和软化点随结晶程度的增加而增加，伸长率和溶解性则降低。对于某些应用，如单组分热塑性聚氨酯胶粘剂，要求结晶快，以获得初粘力。某些热塑性聚氨酯弹性体因结晶性高而脱模快。结晶聚合物经常由于折射光的各向异性而不透明。

若在结晶性线性聚氨酯中引入少量支链或侧基，则材料结晶性下降，交联密度增加到一定程度，软段失去结晶性，整个聚氨酯弹性体可由较坚硬的结晶态变为弹性较好的无定型态。在材料被拉伸时，拉伸应力使得软段分子基团的规整性提高，结晶性增加，会提高材料的强度。硬段的极性越强，越有利于材料的结晶。

交联度

分子适度的交联可使聚氨酯材料硬度、软化温度和弹性模量增加，断裂伸长率、永久变形和在溶剂中的溶胀性降低。对于聚氨酯弹性体，适当交联，可制得机械强度优良、硬度高、富有弹性，且有优良耐磨、耐油、耐臭氧及耐热性等性能的材料。但若交联过度，可使拉伸强度、伸长率等性能下降。

聚氨酯化学交联一般是由多元醇（偶尔多元胺或其它多官能度原料）原料或由高温、过量异氰酸酯而形成的交联键（脲基甲酸酯和缩二脲等）引起，交联密度取决于原料的用量。与氢键引起的物理交联相比，化学交联具有较好的热稳定性。

聚氨酯泡沫塑料是交联型聚合物，其中软制裁泡沫塑料由长链聚醚（或聚酯）二醇及三醇与二异氰酸酯及扩链交联剂制成，具有较好的弹性、柔软性；硬质泡沫塑料由高官能度、低分子量的聚醚多元醇与多异氰酸酯（PAPI）等制成，由于很高的交联度和较多刚性苯环的存在，材料较脆。有研究表明，随着脲基甲酸酯、缩二脲等基团的增加，软质聚氨酯泡沫塑料的耐疲劳性能下降。

分子量

线性聚氨酯（弹性体）的分子量在一定程度对力学性能有较大的影响，分子量的增加，则聚氨酯材料的拉伸强度、伸长率和硬度增加，而在有机溶剂中溶解性下降。对高交联度的聚氨酯材料，如泡沫塑料、涂料等，分子量并非影响其性能的主要因素。

温度

温度对聚氨酯分子形态结构有影响，并影响到材料的性能。聚氨酯的初始反应温度可影响分子结构的规整性；热熟化即使反应基团完全反应，又使得基团和链节有机会排列有序；较高温度反应，可使得线性分子链形成少量支化和交联；而常温后熟化或低温放置，可使得聚合物分子链间形成氢键，并生适度的相分离，有利于性能的提高。

2.3.2 软段对性能的影响

聚醚、聚酯等低聚物多元醇组成软段。软段在聚氨酯中占大部分，不同的低聚物多元醇与二异氰酸酯制备的聚氨酯性能各不相同。表2-12列出了各种低聚物种类与其聚氨酯性能的关系。

表2-12 低聚物多元醇的种类与所制聚氨醒性能的关系

注：1.A表示已二醇，E表示乙二醇，B表示丁二醇，P表示丙二醇，H表示已二醇，DE表示一缩二乙二醇，N表示新戊二醇，首写P表示“聚”，THF 表示四氢呋喃，PO表示氧化丙烯，EO表示氧化乙烯。

2.×表示差，△表示一般，○表示良好，◎表示优。

极性强的聚酯作软段得到的聚氨酯弹性体及泡沫的力学性能较好。因为，聚酯制成的聚氨酯含极性大的酯基，这种聚氨酯部不仅硬段间能够形成氢键，而且软段上的极性基团也能部分地与硬段上的极性基团形成氢键，使硬相能更均匀地分布于软相中，起到弹性交联点的作用。在室温下某些聚酯可形成软段结晶，影响聚氨酯的性能。聚酯型聚氨酯的强度、耐油性、热氧化稳定性比PPG聚醚型的高，但耐水解性能比聚醚型的差。聚四氢呋喃（PTMEG）型聚氨酯，由于PTMEG规整结构，易形成结晶，强度与聚酯型的不相上下。一般来说，聚醚型聚氨酯，由于软段的醚基较易旋转，具有较好的柔顺性，优越的低温性能，并且聚醚中不存在相对易于水解的酯基，其耐水解性比聚醚型好。聚醚软段的醚键的α碳容易被氧化，形成过氧化物自由基，产生一系列的氧化降解反应。

以聚丁二烯为软段的聚氨酯，软段极性弱，软硬段间相容性差，弹性体强度较差。

含侧链的软段，由于位阻作用，氢键弱，结晶性差，强度比相同软段主链的无侧基聚氨酯差。

软段的分子量对聚氨酯的力学性能有影响，一般来说，假定聚氨酯分子量相同，其软段若为聚酯，则聚氨酯的强度随作聚酯二醇分子量的增加而提高；若软段聚醚，则聚氨酯的强度随聚醚二醇分子量的增加而下降，不过伸长率却上升。这是