一种高硬度聚氨酯叶桨材料及叶桨的制备方法
阅读说明：本技术 一种高硬度聚氨酯叶桨材料及叶桨的制备方法 (High-hardness polyurethane blade material and preparation method of blade ) 是由 许双喜 冯兴卓 曹彦海 朱军 张坚强 颜渊巍 于 2021-10-20 设计创作，主要内容包括：一种高硬度聚氨酯叶桨材料包括A组分和B组分,其中A组分主要包括聚醚二元醇、聚醚三元醇、聚醚四元醇、1,3-丁二醇、消泡剂、催化剂和有机硅环氧树脂,B组分为碳化二亚胺改性MDI。本发明还公开了分段浇注工艺将高硬度聚氨酯叶桨材料制备成高硬度聚氨酯叶桨的方法。本发明的聚氨酯叶桨材料中,引入有机硅环氧树脂作为原料,能够明显提高聚氨酯材料硬度、韧性及耐水解性能。本发明的成型过程中选用分段浇注工艺,工艺原料反应分步进行,缓解了原料整体反应放热量大的问题,有效解决产品表面收缩缺陷。(A high-hardness polyurethane paddle material comprises a component A and a component B, wherein the component A mainly comprises polyether dihydric alcohol, polyether trihydric alcohol, polyether tetrahydric alcohol, 1, 3-butanediol, a defoaming agent, a catalyst and organic silicon epoxy resin, and the component B is carbodiimide modified MDI. The invention also discloses a method for preparing the high-hardness polyurethane blade paddle from the high-hardness polyurethane blade paddle material by the sectional pouring process. In the polyurethane paddle material, the organosilicon epoxy resin is introduced as a raw material, so that the hardness, toughness and hydrolysis resistance of the polyurethane material can be obviously improved. The invention selects the sectional casting process in the forming process, and the reaction of the process raw materials is carried out step by step, thereby relieving the problem of large heat release of the whole reaction of the raw materials and effectively solving the surface shrinkage defect of the product.)
技术领域
本发明属于聚氨酯制品技术领域，尤其涉及一种高硬度、低粘度、低反应活性的叶桨材料及叶桨的制备方法。
背景技术
潜水推进器是工业和城市污水处理厂爆气池、厌氧池创建水流的重要设备，依靠装机的两只搅拌叶桨接触污水推进水流，发挥曝气池、厌氧池水循环及硝化、脱氮和除磷等多项功能，因此某种程度上讲，搅拌叶桨对潜水推进器的工作效率和使用寿命有着重要作用。
聚氨酯材料因具有优异机械强度及耐水解性能而广泛应用在潜水推进器上，但目前业内普遍使用低硬度的聚氨酯材料(硬度≤95A)制备叶桨。叶桨的材质是影响叶桨机械性能和潜水推进器效率的重要要素之一，由于材料硬度值低、刚度小，叶桨在运行过程中，容易产生变形，从而影响了推进效果。
提高聚氨酯材料硬度不仅能够提高叶桨的机械性能，而且还能降低设备能耗，提高推进效果，但制备高硬度聚氨酯叶桨(硬度≥邵D70)存在以下困难：
(1)目前普遍采用预聚体法，采用该方法存在物料粘度大、反应快、可操作时间短的缺陷；
(2)由于聚氨酯叶桨为异型件，尺寸厚薄不均匀，导致其成型困难。现有技术中对于异型制品一般使用敞口常压浇注，该工艺对于制备一般硬度聚氨酯材料可行，但对于制备收缩率高的高硬度聚氨酯材料，容易产生缺陷，且由于常压成型尺寸精度低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种高硬度、低粘度、低反应活性的叶桨材料及叶桨的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种高硬度聚氨酯叶桨材料，包括A组分和B组分，其中A组分主要由以下重量份的原料制备而成：
聚醚二元醇50～65份，
聚醚三元醇20～35份，
聚醚四元醇10～20份，
1,3-丁二醇7～10份，
消泡剂0.5～2份，
催化剂0.05～1份；
有机硅环氧树脂5～20份；
B组分为碳化二亚胺改性MDI。
上述的聚氨酯叶桨材料，优选的，所述有机硅环氧树脂选自信越化学工业株式会社生产的ES-1001N、ES-1002T、ES-1023或上海树脂厂生产的665号有机硅环氧树脂中的一种或几种。
上述的聚氨酯叶桨材料，优选的，所述聚醚二元醇的羟值为112±3mgKOH/g，所述聚醚三元醇的羟值为475±15mgKOH/g，所述聚醚四元醇的羟值为430±10mgKOH/g。
上述的聚氨酯叶桨材料，优选的，所述消泡剂为有机硅氧烷；所述催化剂为潜在型催化剂，选自广州优润化工生产的AUCAT-RM301、CUCAT-RM60、SA102中的一种或几种。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种高硬度聚氨酯叶桨的制备方法，采用上述的高硬度聚氨酯叶桨材料制备高硬度聚氨酯叶桨，包括以下步骤：
(1)将A组分置入浇注机器A料罐内，B组分置入B料罐内，开启搅拌，A组分和B组分通过计量泵输送至混合室进行浇注；
(2)合模加压；
(3)从浇注机器混合头处引一根软管，在浇注混合头位置出料，将软管靠在模具浇注口位置，保证液体沿模具壁流动，将混合料浇注满模具；
(4)采用分段浇注工艺，分别浇注到1/3、1/2处时停留10-50min，以保证物料自由收缩，到达停留时间后，软管继续沿着模具壁浇注，直到浇注满整个模具；
(5)浇注完成后，在浇注口安装活塞对浇注口处原料进行加压；
(6)加压完成后，进行升温固化，固化完成后泄压，将产品取出，制得高硬度聚氨酯叶桨成品。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，A组分和B组分混合的比例为：A组分100质量份，B组分95～105质量份。
上述的制备方法，优选的，步骤(1)中，控制A组分温度为50～60℃，B组分温度为30～45℃
上述的制备方法，优选的，步骤(2)中，合模压力为5-10MPa，模具温度为50～60℃。
上述的制备方法，优选的，步骤(5)中，加压的压力为2-5MPa。
上述的制备方法，优选的，步骤(6)中，将模具温度升高至80～110℃，固化2～4h。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明的聚氨酯叶桨材料中，引入有机硅环氧树脂作为原料，能够明显提高聚氨酯材料硬度、韧性及耐水解性能。
(2)本发明选择潜在型催化剂，相比于常规催化剂，聚氨酯叶桨材料初期反应慢，粘度低，流动性好，更容易填充到模具型腔，制品外观更好，可操作时间长，非常适合进行大型复杂制件的成型。
(3)本发明的成型过程中选用分段浇注工艺，工艺原料反应分步进行，缓解了原料整体反应放热量大的问题，有效解决产品表面收缩缺陷。
(4)本发明的成型过程中，在浇注完成后对浇注口处进行加压，使产品更致密，破除内部气泡，提高质量，产品尺寸精度高。
(5)本发明的成型过程中，选用阶段升温工艺，初始状态低温，物料反应慢，流动性好，有利于填充满型腔，阶段升温，物料逐步反应，制品内应力小，外观质量好。
附图说明
图1是本发明制备高硬度聚氨酯叶桨过程中采用的模具摆放图。
图2是本发明制备高硬度聚氨酯叶桨分段浇注过程中模具示意图。
图3是本发明制备高硬度聚氨酯叶桨过程中浇注完成后使用活塞对浇注口加压示意图。
图4是本发明制备高硬度聚氨酯叶桨产品。
图例说明：
1、浇注口；2、叶尖；3、叶根；4、金属轴；5、2/3停留处；6、1/3停留处；7、活塞。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本文发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
实施例1：
一种本发明的高硬度聚氨酯叶桨材料，包括A组分和B组分，其中A组分将以下重量份的原料放入反应器中，110℃条件下脱水2h，降温至50℃，制得A组分，其中，各原料为：聚醚二元醇(羟值112mgKOH/g)55份，聚醚三元醇(羟值475mgKOH/g)30份，聚醚四元醇(羟值430mgKOH/g)20份，1,3-丁二醇7份，665号有机硅环氧树脂10份，有机硅氧烷消泡剂1份，催化剂AUCAT-RM301 0.1份；B组分为100重量份碳化二亚胺改性MDI。
将本实施例的高硬度聚氨酯叶桨材料进行成型制备成高硬度聚氨酯叶桨，具体制备过程如下：
(1)浇注前，将A组分置入浇注机器A料罐内，B组分置入B料罐内，开启搅拌，设定好工艺参数：A组分温度为50℃，B组分温度为30℃；A组分和B组分通过计量泵输送至混合室进行浇注，混合的比例为：A组分100质量份，B组分95质量份；
(2)模具摆放方式见图1，中间放置金属轴4，叶根3在下，叶尖2朝上，使原料可以从浇注口1处流入模具型腔中；将模具贴好密封条，喷涂好脱模剂后安装铁件，合模加压，压力设定为10MPa，模具温度设定为50℃；
(3)从混合头处引一根软管，混合料在浇注混合头位置出料，将软管靠在模具壁浇注口1位置，以保证液体沿模具壁流动；
(4)采用分段浇注工艺，在浇注到模具1/3停留处6、2/3停留处5时分别停留25分钟(如图2所示)，到达停留时间后，软管继续沿着模具壁浇注，直到浇注满整个模具；
(5)浇注完成后，在浇注口1安装活塞7，活塞7能够对浇注口1处原料进行加压(如图3所示)，活塞加压的压力为8MPa；
(6)加压完成后，将模具温度提高至90℃进行固化，固化2h后泄压，将产品取出，制得成品，见图4所示。
对比例1：
本对比例与实施例1的区别仅在于高硬度聚氨酯叶桨材料中不添加有机硅环氧树脂，其他原料、原料含量、制备工艺均与实施例1相同。
实施例1和对比例1制备的叶桨材料性能测试结果见表1，从表1中可看出，添加有机硅环氧树脂后使得制备的叶桨材料硬度为70D，硬度及材料拉伸强度明显提高，冲击性能优越，耐水解性能提升(吸水率降低)。
表1实施例1和对比例1制备的高硬度聚氨酯叶桨材料的性能参数
对比例2：
本实施例与实施例1的区别仅在于将催化剂AUCAT-RM301替换成常规催化剂二月桂酸二丁基锡，其他原料、原料含量、制备工艺均与实施例1相同。
实施例1和对比例2制备的叶桨材料混合料的凝胶性能测试结果见表2，从表2中可看出实施例1中的高硬度叶桨材料选用潜在型固化剂其凝胶时间为35min，相比于常规型催化剂，其凝胶时间大幅增加，可操作时间延长，物料可流动时间长。
表2实施例1和对比例2中材料混合料的凝胶性能
实施例2：
一种本发明的高硬度聚氨酯叶桨材料，包括A组分和B组分，其中A组分将以下重量份的原料放入反应器中，115℃条件下脱水2h，降温至60℃，制得A组分，其中，各原料为：聚醚二元醇(羟值112mgKOH/g)60份，聚醚三元醇(羟值475mgKOH/g)20份，聚醚四元醇(羟值430mgKOH/g)15份，1,3-丁二醇10份，665号有机硅环氧树脂15份，有机硅氧烷消泡剂2份，催化剂AUCAT-RM301 0.5份；B组分为碳化二亚胺改性MDI。
将本实施例的高硬度聚氨酯叶桨材料进行成型制备成高硬度聚氨酯叶桨，具体制备过程如下：
(1)浇注前，将A组分置入浇注机器A料罐内，B组分置入B料罐内，开启搅拌，设定好工艺参数：A组分温度为55℃，B组分温度为35℃；A组分和B组分通过计量泵输送至混合室进行浇注，混合的比例为：A组分100质量份，B组分101质量份；
(2)模具摆放方式见图1，中间放置金属轴4，叶根3在下，叶尖2朝上，使原料可以从浇注口1处流入模具型腔中；将模具贴好密封条，喷涂好脱模剂后安装铁件，合模加压，压力设定为15MPa，模具温度设定为55℃；
(3)从混合头处引一根软管，混合料在浇注混合头位置出料，将软管靠在模具壁浇注口1位置，以保证液体沿模具壁流动；
(4)采用分段浇注工艺，在浇注到模具1/3停留处6、2/3停留处5时分别停留10分钟(如图2所示)，到达停留时间后，软管继续沿着模具壁浇注，直到浇注满整个模具；
(5)浇注完成后，在浇注口1安装活塞7，活塞7能够对浇注口1处原料进行加压(如图3所示)，活塞加压的压力为5MPa；
(6)加压完成后，将模具温度提高至100℃进行固化，固化3h后泄压，将产品取出，制得成品。
本实施例中的高硬度叶桨材料的凝胶时间为40min，相比于常规预聚法聚氨酯，凝胶时间大幅增加，可操作时间延长。
本实施例制备的高硬度叶浆产品，相比于普通浇注工艺，制品整体外观更好，产品表面光滑、无收缩、缺胶以及气泡缺陷。
本实施例制备的高硬度叶桨材料性能测试结果见表3，从表3中可看出，制备的材料硬度为68D，硬度及材料拉伸强度明显提高，冲击性能优越，耐水解性能提升(吸水率降低)。
表3实施例2制备的高硬度聚氨酯叶桨材料的性能参数
检测项点
实施例2
测试标准
混合料凝胶时间/min
40
GB/T 12007.7
硬度(邵氏D)
68
GB/T531
拉伸强度(MPa)
45
GB/T528
扯断伸长率(％)
25
GB/T528
材料韧性：冲击强度(KJ/m<sup>2</sup>)
125
GB/T1043.1
耐水解性能：吸水率，％
0.30
GB/T1034
实施例3：
一种本发明的高硬度聚氨酯叶桨材料，包括A组分和B组分，其中A组分将以下重量份的原料放入反应器中，105℃条件下脱水2.5h，降温至55℃，制得A组分，其中，各原料为：聚醚二元醇(羟值112mgKOH/g)50份，聚醚三元醇(羟值475mgKOH/g)35份，聚醚四元醇(羟值430mgKOH/g)13份，1,3-丁二醇8份，665号有机硅环氧树脂8份，有机硅氧烷消泡剂1.5份，催化剂AUCAT-RM301 0.3份；B组分为碳化二亚胺改性MDI。
将本实施例的高硬度聚氨酯叶桨材料进行成型制备成高硬度聚氨酯叶桨，具体制备过程如下：
(1)浇注前，将A组分置入浇注机器A料罐内，B组分置入B料罐内，开启搅拌，设定好工艺参数：A组分温度为60℃，B组分温度为40℃；A组分和B组分通过计量泵输送至混合室进行浇注，混合的比例为：A组分100质量份，B组分95质量份；
(2)模具摆放方式见图1，中间放置金属轴4，叶根3在下，叶尖2朝上，使原料可以从浇注口1处流入模具型腔中；将模具贴好密封条，喷涂好脱模剂后安装铁件，合模加压，压力设定为20MPa，模具温度设定为60℃；
(3)从混合头处引一根软管，混合料在浇注混合头位置出料，将软管靠在模具壁浇注口1位置，以保证液体沿模具壁流动；
(4)采用分段浇注工艺，在浇注到模具1/3停留处6、2/3停留处5时分别停留30分钟(如图2所示)，到达停留时间后，软管继续沿着模具壁浇注，直到浇注满整个模具；
(5)浇注完成后，在浇注口1安装活塞7，活塞7能够对浇注口1处原料进行加压(如图3所示)，活塞加压的压力为3MPa；
(6)加压完成后，将模具温度提高至110℃进行固化，固化2.5h后泄压，将产品取出，制得成品。
本实施例中的高硬度叶桨材料的凝胶时间为30min，相比于常规预聚法聚氨酯，凝胶时间大幅增加，可操作时间延长。
本实施例制备的高硬度叶浆产品，相比于普通浇注工艺，制品整体外观更好，产品表面光滑、无收缩、缺胶以及气泡缺陷。
本实施例制备的高硬度叶桨材料性能测试结果见表4，从表4中可看出，制备的材料硬度为75D，硬度及材料拉伸强度明显提高，冲击性能优越，耐水解性能提升(吸水率降低)。
表4实施例3制备的高硬度聚氨酯叶桨材料的性能参数
检测项点
实施例3
测试标准
混合料凝胶时间/min
30
GB/T 12007.7
硬度(邵氏D)
75
GB/T531
拉伸强度(MPa)
55
GB/T528
扯断伸长率(％)
15
GB/T528
材料韧性：冲击强度(KJ/m<sup>2</sup>)
115
GB/T1043.1
耐水解性能：吸水率，％
0.15
GB/T1034