一种聚氨酯弹性体材料及其制备方法和应用

技术领域

本申请涉及耐磨材料领域，更具体地说，它涉及一种聚氨酯弹性体材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚氨酯弹性体材料具备许多优良的性能，如高模量、高强度，优良的耐磨性、耐化学品、耐水解性、耐髙低温和耐霉菌性等。这些良好的性能使得聚氨酯材料被广泛应用于鞋材、电缆、服装、汽车、医药卫生、管材、薄膜和片材等许多领域。

并且聚氨酯弹性体材料的性能介于塑料和橡胶之间，耐油，耐磨，耐低温，耐老化，硬度高，有弹性，通常作为耐磨鞋底的原材料常作为耐磨鞋底的原材料。

但是普遍来讲，常规聚氨酯弹性体材料为原料制备的鞋底，使用两三年后鞋底纹路便会出现磨损严重、防滑性变差的情况，不适宜穿着。

针对上述中的相关技术，发明人发现聚氨酯弹性体材料的耐磨性有待提高。

发明内容

为了提高聚氨酯弹性体的耐磨性，本申请提供一种聚氨酯弹性体材料及其制备方法和应用。

第一方面，本申请提供一种聚氨酯弹性体材料，采用如下的技术方案：

一种聚氨酯弹性体材料，由包括以下重量份的原料制备得到：

聚酯多元醇和/或聚醚多元醇50-70份，异氰酸酯70-90份，发泡剂2-4份，扩链剂3-5份，氮化硅8-10份，改性蒙脱土6-8份；所述改性蒙脱土由普通蒙脱土经丙烯酰胺有机改性得到。

通过采用上述技术方案，聚酯多元醇和/或聚醚多元醇与异氰酸酯在发泡剂与扩链剂的作用下能够制备得到耐磨性能优良的聚氨酯弹性体材料；蒙脱土和氮化硅为耐磨材料，二者的添加能够提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

更重要的是，本申请中采用丙烯酰胺对普通蒙脱土进行有机改性，提高了改性蒙脱土的分散性，且丙烯酰胺能够为改性蒙脱土引入氨基等极性基团，使得改性蒙脱土能够与氮化硅表面的氨基、羟基、亚氨基等基团作用，氮化硅即可在基团的作用下进入改性蒙脱土的层间，并与通过基团之间的作用，稳定存在与改性蒙脱土的层间，从而增强了改性蒙脱土与氮化硅之间的联结；存在于改性蒙脱土层间的氮化硅增强了改性蒙脱土结构的稳定性，进而使得改性蒙脱土更加耐磨，从而提高了聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

因此，本申请采用氮化硅与改性蒙脱土复配作为聚氨酯弹性体材料的原料，能够显著提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

可选的，以改性蒙脱土的重量为基准，所述改性蒙脱土由包括以下重量份的原料制备得到：普通蒙脱土10-12份，丙烯酰胺50-75份，水90-105份。

通过采用上述技术方案，丙烯酰胺通过对普通蒙脱土进行有机改性，即可获得分散性优良的改性蒙脱土，且丙烯酰胺能够为改性蒙脱土引入氨基等极性基团，使得改性蒙脱土能够与氮化硅表面的氨基、羟基、亚氨基等基团作用，从而增强了改性蒙脱土与氮化硅之间的联结。

可选的，所述改性蒙脱土由包括以下步骤的方法制备得到：边搅拌边向水中加入普通蒙脱土得到悬浮液，将悬浮液加热至80-90℃，在加热条件下边搅拌边向悬浮液中加入丙烯酰胺，持续搅拌30-40min，过滤后得到改性蒙脱土。

通过采用上述技术方案，丙烯酰胺即可实现对普通蒙脱土的有机改性，从而获得改性蒙脱土。

可选的，所述氮化硅为表面改性氮化硅，所述表面改性氮化硅由普通氮化硅经硅烷偶联剂KH-560表面改性得到。

通过采用上述技术方案，普通氮化硅经硅烷偶联剂KH-560表面改性后得到的表面改性氮化硅能够具备更好的分散性，降低了氮化硅团聚而影响氮化硅与改性蒙脱土结合的可能；硅烷偶联剂KH-560即可为表面改性氮化硅表面引入更多的极性基团，从而使得表面改性氮化硅能够更好地与改性蒙脱土结合，从而进一步提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

可选的，以表面改性氮化硅的重量为基准，所述表面改性氮化硅由包括以下步骤的方法制备得到：

边搅拌边向50-60份丙酮中加入20-30份普通氮化硅得到悬浮液；边搅拌边向悬浮液中加入25-35份硅烷偶联剂KH-560得到混合液，将混合液加热至80-90℃并持续搅拌40-60min，过滤得到表面改性氮化硅。

通过采用上述技术方案，硅烷偶联剂KH-560即可实现对普通氮化硅的表面改性，从而获得表面改性氮化硅。

可选的，所述聚氨酯弹性体材料的原料还包括2-4份有机硅微球粉。

通过采用上述技术方案，有机硅微球粉是一种球形细微粉，其外表面光滑，可自由流动，能够在分散在聚氨酯弹性体材料中，提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能；并且能够降低有机硅微球与聚氨酯弹性体材料中其他颗粒之间的磨损，进一步提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能；此外，有机硅微粉具有三维交联网状的分子结构，从而呈现出优秀的耐热性能，降低聚氨酯弹性体材料受热而影响使用寿命的可能，延长了聚氨酯弹性体材料的贮存期和使用寿命。

可选的，所述聚氨酯弹性体材料的原料还包括2-3份二氧化钼。

通过采用上述技术方案，二氧化钼具备优异的自润滑性和对载荷的承载能力，能够分散在聚氨酯弹性体材料中并承担部分载荷，从而降低了聚氨酯被破坏的可能，提高了聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

可选的，所述聚氨酯弹性体材料的原料还包括1-2份防老剂。

通过采用上述技术方案，防老剂延缓了聚氨酯弹性体材料在长期贮存和使用过程中老化的过程，从而延长聚氨酯弹性体材料的贮存期和使用寿命。

第二方面，本申请提供一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，采用如下的技术方案：一种聚氨酯弹性体材料的制备方法，包括以下步骤：

将聚酯多元醇和/或聚醚多元醇和异氰酸酯混合搅拌得到混合料，将剩余原料混合搅拌得到混合物，边搅拌边向混合料中加入混合物得到基料，将基料在150-200℃下密炼5-10min得到胶料，将胶料压模成型即可得到聚氨酯弹性体材料。

通过采用上述技术方案，制备得到耐磨性能优良的聚氨酯弹性体材料。

第三方面，本申请提供一种聚氨酯弹性体材料在耐磨鞋底中的应用，采用如下的技术方案：

一种聚氨酯弹性体材料在耐磨鞋底中的应用。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用改性蒙脱土和氮化硅复配，使得具备极性基团的改性蒙脱土能够与氮化硅表面极性基团作用，从而使得氮化硅在基团的作用下进入改性蒙脱土的层间，并稳定存在与改性蒙脱土的层间，以增强改性蒙脱土与氮化硅之间的联结，从而增强改性蒙脱土结构的稳定性，进而使得改性蒙脱土更加耐磨，最终使得聚氨酯弹性体材料的耐磨性能显著提高。

2、本申请中采用表面改性氮化硅与改性蒙脱土复配，表面改性氮化硅能够具备更好的分散性，降低了氮化硅团聚而影响氮化硅与改性蒙脱土结合的可能；且表面改性氮化硅表面相较于氮化硅具备更多的极性基团，从而使得表面改性氮化硅能够更好地与改性蒙脱土结合，从而进一步提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能。

3、本申请中采用有机硅微球、二氧化钼、防老剂配合，使得聚氨酯弹性体材料具备优良的耐磨性能，延长了鞋底的贮存期和使用寿命。

具体实施方式

以下结合实施例对本申请作进一步详细说明，予以特别说明的是：以下实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行，以下实施例中所用原料除特殊说明外均可来源于普通市售。

聚酯多元醇选用聚己二酸丙二醇酯；

聚醚多元醇选用聚四氢呋喃二醇；

异氰酸酯选用甲苯-2，4-二异氰酸酯；

以发泡剂重量为基准，发泡剂由水和HCFC-141B以(1:1.2)的质量比制得；

扩链剂选用氢醌一二(β一羟乙基)醚；

防老剂选用防老剂AW；

本申请将聚氨酯弹性体材料通过压模制成鞋底后，通过对鞋底进行性能表征，以对聚氨酯弹性体材料的性能进行表征。

改性蒙脱土的制备例

制备例1

一种改性蒙脱土的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向90kg水中加入10kg普通蒙脱土得到悬浮液，将悬浮液加热至80℃，在加热条件下边搅拌边向悬浮液中加入50kg丙烯酰胺，持续搅拌30min，过滤后得到改性蒙脱土。

制备例2

一种改性蒙脱土的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向105kg水中加入普通蒙脱土得到悬浮液，将悬浮液加热至90℃，在加热条件下边搅拌边向悬浮液中加入75kg丙烯酰胺，持续搅拌40min，过滤后得到改性蒙脱土。

制备例3

一种改性蒙脱土的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向100kg水中加入11kg普通蒙脱土得到悬浮液，将悬浮液加热至85℃，在加热条件下边搅拌边向悬浮液中加入55kg丙烯酰胺，持续搅拌35min，过滤后得到改性蒙脱土。

表面改性氮化硅的制备例

制备例4

一种表面改性氮化硅的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向50kg丙酮中加入20kg普通氮化硅得到悬浮液；边搅拌边向悬浮液中加入25kg硅烷偶联剂KH-560得到混合液，将混合液加热至80℃并持续搅拌40min，过滤得到表面改性氮化硅。

制备例5

一种表面改性氮化硅的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向60kg丙酮中加入30kg普通氮化硅得到悬浮液；边搅拌边向悬浮液中加入35kg硅烷偶联剂KH-560得到混合液，将混合液加热至90℃并持续搅拌60min，过滤得到表面改性氮化硅。

制备例6

一种表面改性氮化硅的制备方法，包括以下步骤：

边搅拌边向55kg丙酮中加入25kg普通氮化硅得到悬浮液；边搅拌边向悬浮液中加入30kg份硅烷偶联剂KH-560得到混合液，将混合液加热至85℃并持续搅拌50min，过滤得到表面改性氮化硅。

实施例

实施例1

一种耐磨鞋底的制备方法，包括以下步骤：

将50kg聚酯多元醇和70kg异氰酸酯混合搅拌得到混合料，将2kg发泡剂、3kg扩链剂、8kg普通氮化硅、6kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物，边搅拌边向混合料中加入混合物得到基料，将基料在150℃下密炼5min得到胶料，将胶料压模成型即可得到耐磨鞋底。

实施例2

一种耐磨鞋底的制备方法，包括以下步骤：

将70kg聚酯多元醇和90kg异氰酸酯混合搅拌得到混合料，将4kg发泡剂、5kg扩链剂、10kg普通氮化硅、8kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物，边搅拌边向混合料中加入混合物得到基料，将基料在200℃下密炼10min得到胶料，将胶料压模成型即可得到耐磨鞋底。

实施例3

一种耐磨鞋底的制备方法，包括以下步骤：

将60kg聚酯多元醇和80kg异氰酸酯混合搅拌得到混合料，将3kg发泡剂、4kg扩链剂、9kg普通氮化硅、7kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物，边搅拌边向混合料中加入混合物得到基料，将基料在180℃下密炼8min得到胶料，将胶料压模成型即可得到耐磨鞋底。

实施例4

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中7kg改性蒙脱土由制备例2中方法制备得到。

实施例5

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中7kg改性蒙脱土由制备例3中方法制备得到。

实施例6

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中9kg普通氮化硅等重量替换为9kg由制备例4中方法制备得到的表面改性氮化硅。

实施例7

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中9kg普通氮化硅等重量替换为9kg由制备例5中方法制备得到的表面改性氮化硅。

实施例8

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中9kg普通氮化硅等重量替换为9kg由制备例4中方法制备得到的表面改性氮化硅。

实施例9

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例8中方法进行，不同之处在于，原料中还包括3kg有机硅微球；3kg有机硅微球与3kg发泡剂、4kg扩链剂、9kg由制备例6种方法制备得到的表面改性氮化硅、7kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物。

实施例10

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例8中方法进行，不同之处在于，原料中还包括2.5kg二氧化钼；2.5kg二氧化钼与3kg发泡剂、4kg扩链剂、9kg由制备例6种方法制备得到的表面改性氮化硅、7kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物。

实施例11

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例8中方法进行，不同之处在于，原料中还包括1.5kg防老剂；1.5kg防老剂与3kg发泡剂、4kg扩链剂、9kg由制备例6种方法制备得到的表面改性氮化硅、7kg由制备例1中方法制备得到的改性蒙脱土混合搅拌得到混合物。

实施例12

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例3中方法进行，不同之处在于，原料中60kg聚酯多元醇等重量替换为60kg聚醚多元醇。

实施例13

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例1中方法进行，不同之处在于，原料中15kg聚酯多元醇等重量替换为15kg聚醚多元醇，即原料中采用45kg聚酯多元醇和15kg聚醚多元醇与异氰酸酯混合搅拌得到混合料。

对比例

对比例1

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例5中方法进行，不同之处在于，原料中不添加9kg普通氮化硅和7kg改性蒙脱土。

对比例2

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例5中方法进行，不同之处在于，原料中7kg改性蒙脱土等重量替换为7kg普通蒙脱土。

对比例3

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例5中方法进行，不同之处在于，原料中7kg改性蒙脱土等重量替换为7kg普通氮化硅。

对比例4

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例5中方法进行，不同之处在于，原料中9kg普通氮化硅等重量替换为9kg改性蒙脱土。

对比例5

一种耐磨鞋底的制备方法，按照实施例8中方法进行，不同之处在于，原料中7kg改性蒙脱土等重量替换为7kg表面改性氮化硅。

性能检测试验

按照GB/T531-1999中试验方法，QB/T2884-2020中试验方法，对上述实施例和对比例的硬度和磨耗量进行测试，测试结果如表1所示。

表1：

结合实施例5和对比例1-4，以及他们在表1中数据可以看出，相较于实施例5，对比例1的不同之处在于，原料中不添加原料中不添加普通氮化硅和改性蒙脱土；对比例2的不同之处在于，原料中改性蒙脱土等重量替换为普通蒙脱土；对比例3的不同之处在于，原料中改性蒙脱土等重量替换为普通氮化硅；对比例4的不同之处在于，原料中普通氮化硅等重量替换为改性蒙脱土。对比例1-4中得到的耐磨鞋底，它们的耐磨性能显著低于实施例5，说明实施例5中采用改性蒙脱土和氮化硅复配，能够显著提升耐磨鞋底的耐磨性能。

其根本原因在于，本申请中采用丙烯酰胺对普通蒙脱土进行有机改性，提高了改性蒙脱土的分散性，且丙烯酰胺能够为改性蒙脱土引入氨基等极性基团，使得改性蒙脱土能够与氮化硅表面的极性基团作用，从而增强了改性蒙脱土与氮化硅之间的联结，如此，氮化硅即可在基团的作用下进入改性蒙脱土的层间，并稳定存在与改性蒙脱土的层间；存在于改性蒙脱土层间的氮化硅增强了改性蒙脱土结构的稳定性，进而使得改性蒙脱土更加耐磨，从而提高了聚氨酯弹性体材料的耐磨性能，进而使得由聚氨酯弹性体材料制备得到的耐磨鞋底具备优良的耐磨性能。

结合实施例8和对比例4-5、实施例5以及表1的数据可以发现，不同于实施例8，对比例4在制备耐磨鞋底时，原料中9kg表面改性氮化硅等重量替换为9kg改性蒙脱土；对比例5在制备耐磨鞋底时，原料中7kg改性蒙脱土等重量替换为7kg表面改性氮化硅；实施例5在耐磨鞋底时，原料不添加表面改性氮化硅，而添加普通氮化硅。而实施例8中得到的耐磨鞋底的耐磨性能不仅远远高于对比例4和对比例5，还明显优于实施例5。

说明实施例8中采用表面改性氮化硅与改性蒙脱土复配，能够显著提高耐磨鞋底的耐磨性能，普通氮化硅经硅烷偶联剂KH-560表面改性后得到的表面改性氮化硅能够具备更好的分散性，并且硅烷偶联剂KH-560即可为表面改性氮化硅表面引入更多的极性基团，从而使得表面改性氮化硅能够更好地与改性蒙脱土结合，从而进一步提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能，进而使得由聚氨酯弹性体材料制备得到的耐磨鞋底具备优良的耐磨性能。

结合实施例8和实施例9-11并结合表1可以看出，相较于实施例8，实施例9的不同之处在于，原料还包括有机硅微球；实施例10的不同之处在于，原料还包括二氧化钼；实施例11的不同之处在于，原料还包括有防老剂。实施例9-11中得到的耐磨鞋底，相较于实施例8均有所提高；说明耐磨鞋底的制备过程中，在原料中添加有机硅微球、二氧化钼、防老剂均能提高聚氨酯弹性体材料的耐磨性能，进而使得由聚氨酯弹性体材料制备得到的耐磨鞋底的耐磨性能得到改善。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。