一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫及其制备方法
阅读说明：本技术 一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫及其制备方法 (Low-density fatigue-resistant microporous polyurethane elastic damping pad and preparation method thereof ) 是由 邹美帅 张旭东 吴晓霞 甄茂民 张旭峰 于学俊 夏义兵 吴敬朋 唐红梅 李晓东 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫及其制备方法,属于聚氨酯微孔弹性体技术领域。所述减振垫是由A组分与B组分固化成型得到；A组分由PTMEG1000、PTMEG2000、EP330、BDO、H-(2)O、有机磷阻燃剂、匀泡剂、防霉剂、BDMAE和T12混合均匀配制而成；B组分是异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇在80℃～100℃下搅拌反应4h～6h形成的-NCO值在12～14之间的预聚体；所述A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.98～1.00:1.03。所述减振垫用于建筑地基的次承载结构中具有很好的减振效果且耐疲劳性能优异,同时还具有防火和防霉功能。(The invention relates to a low-density fatigue-resistant microporous polyurethane elastic damping pad and a preparation method thereof, belonging to the technical field of polyurethane microporous elastomers. The vibration damping pad is obtained by curing and molding the component A and the component B; the component A is composed of PTMEG1000, PTMEG2000, EP330, BDO and H 2 O, an organic phosphorus flame retardant, a foam stabilizer, a mildew inhibitor, BDMAE and T12 are mixed uniformly to prepare the composite material; the component B is prepared by stirring isocyanate and polytetrahydrofuran ether polyol at the temperature of 80-100 DEG CForming a prepolymer with-NCO value of 12-14 within 4-6 h; the molar ratio of active-H contained in the component A to-NCO groups contained in the component B is 1.00: 0.98-1.00: 1.03. The damping pad is used for a secondary bearing structure of a building foundation, has a good damping effect and excellent fatigue resistance, and also has fireproof and mildew-proof functions.)
技术领域
本发明涉及一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫及其制备方法，属于聚氨酯微孔弹性体技术领域。
背景技术
随着城市交通网络的逐渐加密以及城市用地的日益紧缺，建筑离地铁、铁路、高速公路、机场等频繁产生振动的振源越来越近，周围环境受到的振动和噪声污染问题日益严重。如何保证这些振源附近住宅、医院、科研楼等建筑内的人员的舒适度，降低对精密仪器设备运行影响，提高建筑使用寿命，同时提高土地利用率，是急需解决的问题。
地基铺设减振垫是一种理想的减振方法，在地基的底部、侧面铺设减振效果好的减振垫，可有效消减振动源对建筑内部的影响。减振垫按实际承载不同分为3类：(1)地基底面主承载结构柱下铺设的减振垫；(2)地基底面次承载减振垫；(3)地基侧墙减振垫；其中，地基底面次承载减振垫要求其具有较低的密度和较好的耐疲劳性能。
早期少部分建筑以抗地震为目的，在地基上铺设了橡胶隔震支座层，但橡胶类材料在长期负载状态下容易发生永久形变，减振效果很快下降甚至丧失，特别是在地铁等长期频繁振动环境附近，使用寿命通常不到5年，甚至不到1年，远远短于建筑的使用寿命。另外，橡胶减振垫类产品对地铁等振源运行产生的高频振动的减振效果并不理想。
微孔聚氨酯弹性减振垫目前常用于轨道交通领域，国华北理科技有限公司开发的系列微孔聚氨酯弹性减振垫，在相应载荷下进行300万次疲劳测试后(23±2℃保温24h，加载频率4±1Hz，荷载循环3×106次)，性能变化满足TB/T3395.1附录C耐疲劳性能要求，永久变形不到10％，刚度变化率不到15％。若将微孔聚氨酯弹性减振垫应用于建筑领域，由于建筑物长期受到周边振源的频繁的高频振动影响，同时还要保证地基减振垫在建筑长达70年甚至上百年的使用期，因此要求减振垫具有较好的减振效果，需进一步大幅度提高减振垫产品的耐疲劳特性；同时还要求微孔聚氨酯弹性减振垫具有一定的防火和防霉能力。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫及其制备方法。本发明通过优化减振垫中的原料成分及成分含量，使得到的减振垫可用于100m以下建筑的地基次承载结构中。所述减振垫在荷载150kPa～300kPa下，对于城市轨道交通产生的高频振动具有很好的减振效果，并且经1000万次不间断加载疲劳试验后，各项性能变化较小，耐疲劳性能优异；同时所述减振垫还具有防火和防霉功能，满足建筑使用寿命内减振需求。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫，所述减振垫是由A组分与B组分固化成型得到的密度为450kg/m3～550kg/m3且经受1000万次加载耐疲劳试验后性能满足要求的微孔聚氨酯弹性减振垫。
所述A组分由聚醚多元醇、扩链剂、发泡剂、有机磷阻燃剂、匀泡剂、催化剂、防霉剂混合均匀配制而成；所述聚醚多元醇为分子量为1000的聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG1000)、分子量为2000的聚四氢呋喃醚二醇(PTMEG2000)以及分子量为5000的聚氧化丙烯三醇(EP330)；所述扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)；所述发泡剂为H2O；所述匀泡剂为江苏美思德公司牌号为AK7703的匀泡剂；所述催化剂为双(二甲氨基乙基)醚(BDMAE)和二月桂酸二丁基锡(T12)。
以制备所述A组分的原料总质量为100份计，各原料成分及其质量份数如下：
所述B组分是异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇在保护气体氛围中80℃～100℃下搅拌反应4h～6h形成的-NCO值在12～14之间的预聚体；
以制备所述B组分的原料总质量为100份计，各原料成分及其质量份数如下：
异氰酸酯 45份～55份；
聚四氢呋喃醚多元醇 45份～55份。
A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.98～1.00:1.03。其中，所述活泼-H为多元醇-OH中的活泼-H和H2O中活泼-H之和；B组分含有的-NCO基团是指异氰酸酯与聚四氢呋喃醚多元醇反应之后剩余的-NCO，即预聚体中的-NCO。
A组分中：
优选的，所述的有机磷阻燃剂为甲基膦酸二甲酯(DMMP)、磷酸三乙酯、三(2-氯丙基)磷酸酯和三(2-氯乙基)磷酸酯中的一种以上。更优选的，所述有机磷阻燃剂为DMMP。
优选的，所述的防霉剂为佛山科普茵公司生产的牌号为KP-M100的聚氨酯防霉剂或东莞广思远公司生产的牌号为M8的聚氨酯防霉剂。更优选的，所述的防霉剂为佛山科普茵公司生产的牌号为KP-M100的聚氨酯防霉剂。
优选的，以制备所述A组分的原料总质量为100份计，H2O的质量份数为0.34～0.36份，BDMAE的质量份数为0.17～0.19份。
优选的，以制备所述A组分的原料总质量为100份计，各原料成分及其质量份数如下：
所述的防霉剂为佛山科普茵公司生产的牌号为KP-M100的聚氨酯防霉剂；
B组分中：
优选的，所述的异氰酸酯为二异氰酸酯。更优选的，所述的异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
优选的，所述聚四氢呋喃醚多元醇为PTMEG1000。
优选的，以制备所述B组分的原料总质量为100份计，各原料成分及其质量份数如下：
MDI 50份～55份；
PTMEG1000 45份～50份。
优选的，所述保护气体为氮气或惰性气体。
优选的，A组分含有的活泼-H与B组分含有的-NCO基团的摩尔比为1.00:0.99～1.00:1.01。
一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫的制备方法，所述方法步骤如下：先将A组分预热至30℃～34℃、B组分预热至38℃～42℃，然后将预热后的A组分和预热后的B组分浇注到预热至60℃～70℃的模具中固化成型，得到一种低密度耐疲劳微孔聚氨酯弹性减振垫。
优选的，固化成型温度为60℃～70℃，时间为10min～15min。
有益效果
(1)本发明所述微孔聚氨酯弹性减振垫，经过阻燃、防霉改性后，满足建筑行业对铺地材料阻燃性能的要求；防霉等级可达到最高等级标准；经1000万次循环加载疲劳试验后，仍具有良好的耐疲劳性能。具体的，本发明所述微孔聚氨酯弹性减振垫中，通过选择有机磷阻燃剂并控制其用量，有效提高了减振垫的阻燃性能；同时为减弱有机磷阻燃剂的引入对聚氨酯基体的增塑作用，提高减振垫的耐疲劳性能，本发明对A组分和B组分进行适应性调整：①适当减少配方中长链柔性分子PTMEG2000的用量，增加短链柔性分子PTMEG1000的用量，通过降低柔性链的自由活动能力，来抵消DMMP带来的增塑作用影响。②适当提高扩链剂BDO的含量，来提高二异氰酸酯的用量(相当于提高了基体中苯环的含量)，增加聚氨酯基体中硬段的含量和氢键数量，增加分子间作用力，限制柔性链的自由运动。
(2)本发明所述微孔聚氨酯弹性减振垫中，-NCO和H2O之间的发泡反应定量释放CO2气体，因而可通过调节H2O的用量来改变制备的减振垫的密度；催化剂BDMAE是-NCO和H2O之间发泡反应的高效催化剂，催化剂T-12是-NCO和-OH之间的凝胶反应的高效催化剂。发泡和凝胶反应速率必须匹配起来，才能制得闭孔率合适、微孔尺寸及尺寸分布合适，且外观无缺陷的微孔聚氨酯减振垫。若凝胶反应速率过快，会导致微孔生长尺寸变小、密度增大、刚度上升等问题。若发泡反应速率过快，单位时间内产生的CO2气体过多，会导致闭孔率下降，严重时会产生外观坑洼缺陷问题。
(3)本发明所述微孔聚氨酯弹性减振垫中，使用改善该体系泡孔结构效果好的AK7703匀泡剂，可使制备得到的减振垫闭孔率达到88％以上，且泡孔尺寸分布均匀。通过提高闭孔率可实现减振垫对高频振动的快响应速度，获得低的动静刚度比和高的回弹率，从而达到理想的减振效果。
(4)本发明所述密度为450kg/m3～550kg/m3的微孔聚氨酯弹性减振垫，承载范围在150kPa～300kPa，可铺设于建筑地基底面除主承载结构柱的以外次承载区域，适用于多层和高层建筑地基次承载区域减振应用。
(5)本发明所述微孔聚氨酯弹性减振垫，具有低的损耗因子和动静态刚度比值，而且回弹性好，对城市轨道交通产生的频繁高频振动具有理想的隔离消减作用，可有效提高建筑内人员的舒适度，降低高频振动对建筑内精密仪器设备运行的影响，降低高频振动对建筑基体的伤害。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。
以下实施例中：
防霉剂采用的是佛山科普茵公司生产的牌号为KP-M100的聚氨酯防霉剂。
匀泡剂采用的是江苏美思德公司牌号为AK7703的匀泡剂。
实施例1
(1)将25份PTMEG2000、31份PTMEG1000、25.1份EP330、11.8份BDO、0.36份H2O、5份DMMP、1.04份匀泡剂、0.50份防霉剂、0.18份BDMAE以及0.020份T-12混合均匀，得到A组分；
将52份MDI、48份PTMEG1000混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO值为13.40的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团1.00:1.00的摩尔比(质量比1.00:1.27)，将预热至32℃的A组分，以及预热至40℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，连续浇注到连续运行的链板下表面，然后进入预热至65℃的层压机中固化成型，固化成型温度65℃，时间为10min，出层压机后，得到一种密度为450kg/m3的微孔聚氨酯弹性减振垫。
实施例2
(1)将28份PTMEG2000、30份PTMEG1000、23.5份EP330、11.5份BDO、0.30份H2O、5.0份DMMP、1.02份匀泡剂、0.50份防霉剂、0.16份BDMAE以及0.020份T-12混合均匀，得到A组分；
将52份MDI、48份PTMEG1000混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO值为13.40的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团1.00:1.00的摩尔比(质量比1.00:1.23)，将预热至32℃的A组分，以及预热至40℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，连续浇注到连续运行的链板下表面，然后进入预热至65℃的层压机中固化成型，固化成型温度65℃，时间为10min，出层压机后，得到一种密度为550kg/m3的微孔聚氨酯弹性减振垫。
对比例1
(1)将15份PTMEG1000、51份PTMEG2000、24.1份EP330、8.3份BDO、0.35份H2O、1.059份匀泡剂、0.17份BDMAE以及0.021份T-12混合均匀，得到A组分；
将50份MDI、30份PTMEG1000以及20份PTMEG2000混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO值为13.39的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团1.00:1.00的摩尔比(质量比1.00:1.00)，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，内腔体积为868cm3的模具中注入总质量为390.5g的混合料，再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型为一种密度为450kg/m3的微孔聚氨酯弹性减振垫。
对比例2
(1)将15份PTMEG1000、47.5份PTMEG2000、22.1份EP330、8.3份BDO、0.35份H2O、5.0份DMMP、1.059份匀泡剂、0.50份防霉剂、0.17份BDMAE以及0.021份T-12混合均匀，得到A组分；
将50份MDI、30份PTMEG1000以及20份PTMEG2000混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO值为13.39的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团1.00:1.00的摩尔比(质量比1.00:0.99)，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，内腔体积为868cm3的模具中注入总质量为390.5g的混合料，再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型为一种密度为450kg/m3的聚氨酯微孔弹性减振垫。
对比例3
(1)将15份PTMEG1000、51份PTMEG2000、24份EP330、8.5份BDO、0.30份H2O、1.02份AK7703、0.16份BDMAE以及0.020份T-12混合均匀，得到A组分；
将50份MDI、30份PTMEG1000以及20份PTMEG2000混合后，在氮气保护气氛下，于85℃下搅拌反应4h，得到-NCO值为13.39的B组分；
(2)按照A组分中活泼-H与B组分中-NCO基团1.00:1.00的摩尔比(质量比1.00:1.00)，将预热至35℃的A组分和预热至45℃的B组分经双组分聚氨酯浇注机混合均匀后，浇注到预热至65℃的可锁紧模具中，内腔体积为868cm3的模具中注入总质量为477.4g的混合料，再将注入混合料的模具置于65℃下固化10min，混合料膨胀成型后充满模具，在模具中成型为一种密度为550kg/m3的微孔聚氨酯弹性减振垫。
按照相应的标准分别对实施例以及对比例所制备的微孔聚氨酯弹性减振垫进行各种性能测试，测试结果详见表1；其中，密度测试参照标准GB/T 1033.1-2008，静载荷极限为理论计算值，损耗因子测试参照标准GB/T 18258-2000，拉伸强度以及断裂伸长率测试参照标准GB/T1040.3-2006，静刚度测试参照标准TB/T 3395.1(23±2℃保温24h，载荷1kN～35kN)，动静刚度比测试参照标准TB/T 3395.1，回弹率测试参照标准GB/T 1681-2009,压缩永久变形率测试参照标准GB/T 10653(70℃，22h，30％压缩)，载荷300万次和载荷1000万次疲劳试验参照标准TB/T 3395.1附录C(23±2℃保温24h，循环载荷20～80kN，加载频率4±1Hz)，闭孔率测试参照标准GB/T 10799-2008，热导率测试参照标准GB/T 29288-2012，防火性能测试参照标准GB8624-2006，防霉等级测试参照标准GB/T 24128，吸水率测试参照标准GB/T 8810-2005。
表1
由表1的测试结果可知，实施例1～2所制备的微孔聚氨酯弹性减振垫满足各项性能指标要求，具有优异的耐疲劳特性，能够满足建筑地基次承载结构减振垫的使用要求。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。
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