PU高速抛光材料的研制
摘 要：在PU微孔泡末发泡体系中加入无机磨料，经发泡、固化反应制成具有微孔结构的热固性抛光材料。介绍了该抛光材料的合成原理及工艺，并对主要影响因素进行了讨论。结果表明，当330聚醚与303A聚醚质量比在（2.5~3.0）: 1.0范围内，采用1,4-丁二醇作扩链剂，同时使用复合催化剂时，所得制品性能最佳。该抛光材料适用于各种眼镜片和其它光学玻璃的高速抛光。
关键词：PU；微孔泡沫；热固性；抛光材料；聚醚
中图分类号：O 633.4 文献标识码：A
PU高速抛光材料是采用预聚体法发泡工艺制成的含有一定数量的无机磨料，它是一种具有微孔结构的热固性抛光材料。从70年代开始，热固性抛光材料就被应用在光学玻璃冷加工工艺中，从而提高生产效率，改善作业环境，其发展比较迅速。由于PU微孔泡沫不仅机械强度高、耐磨性及弹性好、硬度范围可调，而且它的微孔结构在光学玻璃抛光中能够加快机械磨削和化学腐蚀作用，提高了抛光效率和稳定了质量，所以被广泛应用在光学玻璃的冷加工工艺中。其中无机磨料的加入，不但可以提高产品硬度，而且还可以稳定光圈，保证抛光质量。PU高速抛光材料的研制，为我国光学冷加工行业提供了一种理想的抛光材料，它适用于各种眼镜片和其它光学玻璃的高速抛光。本文在简述合成原理的基础上，介绍了合成工艺，讨论了主要影响因素。
1． 实验部分
1.1． 主要原材料
（1） MDI（二苯基甲烷二异氰酸酯）及液化-MDI：含量≥98%，烟台产；
（2） 330聚醚：官能度：3，平均分子量：3 000，天津产；
（3） 303A聚醚：官能度：3，分子量：300，沈阳产；
（4） 1,4-丁二醇：水分<0.1%，日本进口；
（5） Dabco-33LV及二月桂酸二丁基锡：进口。
1.2． 合成原理
PU高速抛光材料是由聚醚与MDI反应制备的预聚体在发泡剂、催化剂、匀泡剂及磨料存在下，经化学反应而制得的具有微孔结构的高分子材料。其反应包括预聚体的合成、扩链反应及交联反应。
1.2.1．预聚体的合成
预聚体是多元醇化合物与异氰酸酯化合物的一种加成物[1]。反应式如下：
反应式
1.2.2．扩链反应
端基为异氰酸酯基的预聚体在与水、二元醇等具有活性氢的化合物进行反应时，都能形成高分子聚合物。用二元醇扩链，生成氨基甲酸酯：
反应式
1.2.3．交联反应
反应物中存在过量异氰酸酯，利用加热方法可使主链中氨基甲酸酯基的活性氢与异氰酸酯反应，生成脲基甲酸酯基而形成交联：
反应式
1.3． 合成工艺
1.3.1．预聚体的制备
（1） 聚醚预先进行减压脱水，使水分达到0.1%以下，备用。
（2） 将MDI加入反应器中，加热使其熔化为液体，再加入液化-MDI，温度维持在60-70℃。其中加入液化-MDI可提高预聚体的贮存稳定性[2]。
（3） 开动搅拌，边搅拌边加入预先处理好的聚醚，维持反应温度在75-85℃之间，反应2h。取样分析-NCO含量，合格后即可降温出料。所得预聚体室温为白色粘稠液体。
1.3.2．发泡
把已烘干的磨料加入到盛有预聚体的混合釜中，搅拌均匀后，加入聚醚、扩链剂及催化剂等助剂，高速搅拌10 s，将混合好的物料立即倒入预先预热好且涂有脱模剂的发泡模子中，浇注完毕后，迅速密闭，用螺丝拧紧。
1.3.3．固化
发泡模在110-120℃烘箱中熟化2 h以上，然后升温至120-130℃熟化4 h以上，自然冷却至室温，脱模。所得制品技术指标如下：
外观：断面泡孔均匀，无缺陷；密度（kg/m3）：（0.45-0.55）×103；邵氏硬度A（度）：≥85；回弹（%）：20-25；阿克隆磨耗量（cm3）：≤0.4。
1.4． 性能测试
（1） 压缩强度：在压力试验机（长春产）上，按文献[3]提供的方法进行测试。
（2） 密度：采用体积排水法，根据ρ=m/υ进行计算。
（3） 回弹：用CSS-96落球回弹测定仪（长春产）按GB1681-82方法进行测试。
（4） 硬度：用邵氏硬度计（浙江产）按GB 531-83方法进行测试。
（5） 磨耗：用MH-74磨耗机按GB1689-82方法进行测试。
2． 结果与讨论
2.1．扩链剂的选择
使用扩链剂的目的是使高分子聚合物具有网状结构，以提高制品的强度和硬度。一般采用醇类作为扩链剂，常用的有1,4-丁二醇、乙二醇和一缩乙二醇。其中1,4-丁二醇用得比较多，原因是1,4-丁二醇作扩链剂所制得制品综合性能好，且反应易于控制。本实验亦采用1,4-丁二醇作为扩链剂。
2.2．催化体系的选择
PU泡沫所用催化剂有胺类和锡类两种。胺类催化剂是促进二氧化碳生成的试剂，即控制发泡速度；而锡类催化剂主要控制聚合物链增长速度，即凝胶速度[3]。只有合理搭配使用，才能使泡沫的上升和凝胶速度保持平衡从而使气体被足够的捕捉在气泡内，并使聚合物有足够的强度及保持泡沫的尺寸稳定性。由经验可知，二者比例一般为：胺类：锡类=（6.0~10.0）: 1.0（质量比）。本实验采用10.0: 1.0复合比。
2.3．聚醚的影响
为了提高制品的机械性能，一般使用3官能度以上的聚醚，同时为了提高形稳定性，还加入一些小分子量的聚醚。本实验采用330与303A混合聚醚，取得令人满意的效果。表1列出了二者混合比例对制品性能的影响。
表1 不同聚醚对制品物性的影响
330/303A 压缩强度 密 度 回 弹 邵氏硬度A
（质量比） （MPa） （103kg/m3） （%） （度）
1.0/1.0 5.65 0.40 22 92
2.0/1.0 5.00 0.43 22 90
2.5/1.0 3.62 0.45 20 88
3.0/1.0 2.80 0.48 20 85
4.0/1.0 1.26 0.48 20 70
从表1中可以看出，随着聚醚330/303A比例的增加，其制品硬度随之降低，压缩强度减小，这主要是由于交联密度减小所致。综合考虑，我们选330/303A=（2.5~3.0）/1.0（质量比）。
2.4．预聚体中—NCO含量的影响
预聚体—NCO含量对制品性能影响较大，见表2。
表2 预聚体—NCO含量对制品性能的影响
—NCO 压缩强度 密 度 回 弹 邵氏硬度A 阿克隆磨耗量
（%） （MPa） （103kg/m3） （%） （度） （cm3）
11 0.32 0.55 12 40 0.463
13 0.33 0.52 12 45 0.432
15 1.65 0.52 18 60 0.371
18 6.20 0.56 23 90 0.342
20 6.80 0.52 23 92 0.335
从表2中可以看出，随着—NCO含量增加，制品压缩强度、硬度和回弹均随之而提高，磨耗降低，这对抛光材料是有利的。但随着—NCO %提高，发泡和凝胶速度加快，导致在工艺上难以控制。本实验—NCO %控制在16%~18%之间。
3． 结论
使用胺类和锡类复合催化剂，以1,4-丁二醇作为扩链剂，当330聚醚与303A聚醚质量比为（2.5~3.0）: 1.0时，所得到的PU高速抛光材料性能最佳。可使用专用刀具加工成各种抛光片，具有抛光寿命长、抛光时镜片不出毛道等优点。PU高速抛光材料在光学玻璃冷加工中占有很重要的位置。
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