[发明专利]相分段的非异氰酸酯弹性体

说明书

技术领域

本发明涉及相分段的非异氰酸酯弹性体。

背景技术

弹性体(橡胶)聚合物广泛用于多种应用。弹性体聚合物用于制造轮胎、多种类型的密封件、垫圈、管道、柔性管和软管、机械设备的套管和盖子、空气管理管道、膜片、许多衬底的保护性涂层、鞋底、车轮、冲击吸收体、填缝剂和密封剂、柔性间隔件和广泛范围的缓冲产品。

起先，如这些产品的弹性体产品由硫化天然橡胶制得。随时间推移，已开发各种合成弹性体聚合物，包括例如氯丁橡胶和异戊二烯橡胶、丁基橡胶、腈橡胶、各种丙烯酸酯橡胶、丁二烯聚合物和共聚物。这些都是仅可在较大工业工艺中经济地制造的高分子量材料。另外，这些聚合物必须经熔融加工以形成零件。大规模制造这些聚合物的需求以及熔融加工这些聚合物的进一步需求限制其用于某些应用。举例来说，多种现场应用需要在使用时形成且成形的弹性体聚合物。密封剂是对这类应用的说明；许多密封剂必须以液体或半液体材料形式施加，其接着必须就地硬化。在所述情况下，使用热塑性材料通常是不实用的，因为必需的熔融加工设备在现场不可获得或另外不可在技术上或经济上为特定应用进行调适。由于必需加工设备的费用，需要熔融加工的聚合物通常限于其中零件可大量预先形成的应用。

这些弹性体材料的另一问题是尽管其展现极高伸长率，但其倾向于具有较低拉伸强度和拉伸模量。对于许多应用来说，其并不具有所需的强度；其可能例如过于弹性和/或过于可压缩。这可通过例如用填充剂装载聚合物或通过采用各种交联策略来解决，但这仅增加了复杂性且进一步限制可使用所述聚合物的应用。

其他主要类别的较大量的弹性体聚合物是聚氨基甲酸酯。不同于其他较大量弹性体聚合物，聚氨基甲酸酯可以几乎任何规模经由使低分子量前体反应而容易地且以低成本制造。经由审慎选择起始物质和催化剂，可使这些前体在较低到中等温度下、有时甚至在环境条件下反应以形成高分子量的强弹性体材料。这些属性使得在许多熔融可加工聚合物不适合的应用中成为所选材料。这些应用包括例如许多现场涂层和密封剂应用以及许多小量应用。

聚氨基甲酸酯的另一长处是其广大的通用性。正是由于聚氨基甲酸酯系统的反应性可经由选择起始物质和催化剂进行“调节”以适应广泛范围的加工条件，故弹性体的特性也可经调整以使其适用于广泛范围的应用。聚氨基甲酸酯可以极软、极高伸长率材料形式、以极硬、较高玻璃转化温度树脂形式以及两者之间的几乎任何东西形成。其可经调配以产生热塑性或热固性聚合物。当交联时，交联密度可易于在较宽范围内改变。另外，聚氨基甲酸酯易于形成到非多孔主体以及密度可在低到约16kg/m³的范围内的多孔材料中。

这一通用性基本上归因于异氰酸酯基的化学反应。聚氨基甲酸酯化学反应是基于异氰酸酯基与含有活性氢原子的物质(如羟基和氨基)的反应。异氰酸酯与醇或伯胺或仲胺反应分别产生氨基甲酸酯或脲键。另外，水分子可与两个异氰酸酯基反应以产生脲键(释放二氧化碳分子)。这些反应是便利的，形成很少(如果存在的话)副产物(除了在水/异氰酸酯反应中产生的二氧化碳)，且出人意料地是可预测的，鉴于异氰酸酯基可与自身反应以及与氨基甲酸酯基和脲基反应以形成多种结构。幸而，这些额外的反应在大多数情况下仅在有限的程度上进行(除非所述系统经专门制定或处理以促进反应)，且产生的聚合物在结构和形态方面是高度可预测的。

不同于许多熔融可加工的弹性体材料，聚氨基甲酸酯弹性体易于产生为具有良好伸长率和高强度两者。这再次可归因于异氰酸酯化学反应的独特方面。当产生弹性体聚氨基甲酸酯时，聚异氰酸酯与两种不同类型的异氰酸酯反应性物质反应。这些物质中的第一者是较长链的柔性物质，如某些羟基封端聚醚、聚碳酸酯、聚酯和或聚丁二烯。第二类型的异氰酸酯反应性物质是增链剂或交联剂。增链剂或交联剂是短链多元醇或多元胺，或甚至在一些情况下是水。一部分异氰酸酯基与较长链的柔性材料反应，且另一部分与增链剂或交联剂反应。

当聚异氰酸酯与增链剂反应时，形成含有两个或更多个紧密隔开的氨基甲酸酯基或脲基的聚合片段。氨基甲酸酯基和脲基能够彼此形成氢键，且在形成氢键时产生分散于较长链的柔性材料(其也变得键结到聚合物链中)中的高度氢键结物质的小畴。这些高度氢键结畴的形成和其与较长链的柔性物质相分离的能力给予聚氨基甲酸酯伸长率和拉伸强度的组合。高度氢键结畴通常被称为弹性体的“硬链段”，而主要较长链柔性物质组成的相通常被称为“软链段”。