一种生物质基聚氨酯耐磨管材及其制备方法与流程

本发明属于高分子复合材料，具体涉及一种生物质基聚氨酯耐磨管材及其制备方法。

背景技术：

1、聚氨酯耐磨管材因兼具优异的耐磨性、耐腐蚀性、柔韧性和抗冲击性能，被广泛应用于矿浆输送、尾矿输送、煤浆输送、砂石输送以及化工介质输送等领域。随着矿山开采、能源输送和工业流体输送行业的快速发展，输送介质的流速、浓度及复杂程度不断提高，对耐磨管材的使用寿命和综合性能提出了更高要求。

2、传统聚氨酯耐磨管材主要采用石油基聚醚多元醇或聚酯多元醇作为主要原料制备而成，虽然具有较好的弹性和耐磨性能，但仍存在耐磨寿命有限、长期动态磨损下易产生微裂纹、耐热老化性能不足以及资源可持续性较差等问题。特别是在高浓度矿浆和含有尖锐颗粒介质的输送环境中，聚氨酯材料表面容易因反复冲刷和摩擦而发生材料剥蚀，导致管材使用寿命缩短，增加维护和更换成本。

3、为了提高聚氨酯耐磨管材的综合性能，现有技术通常采用添加无机填料、纤维增强材料或表面改性剂等方式进行改性。然而，无机填料与聚氨酯基体之间界面相容性较差，容易发生团聚现象，导致应力集中和性能下降；部分增强体系虽然能够提高材料硬度，但会降低材料韧性和抗冲击性能，难以兼顾耐磨性与力学性能。此外，现有改性体系多侧重于单一增强机制，难以有效解决聚氨酯材料在长期磨损过程中界面稳定性不足和能量耗散能力有限的问题。

4、近年来，生物质基聚氨酯因来源广泛、可再生性好和环境友好等特点受到广泛关注。然而，生物质基聚氨酯分子结构中极性基团较多，在复杂磨损环境下容易出现链段运动失衡和界面结构退化的问题，其耐磨性能与高端耐磨输送领域的应用需求之间仍存在一定差距。因此，开发一种兼具优异耐磨性能、力学性能和环境适应性的生物质基聚氨酯耐磨管材，对于延长管材使用寿命、降低运行成本以及推动绿色高分子材料的发展具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服现有聚氨酯耐磨管材存在的耐磨寿命有限、长期磨损过程中易产生微裂纹、填料与基体界面结合力不足、生物质基聚氨酯耐磨性能有待提高以及难以兼顾耐磨性与力学性能技术问题，本发明的目的在于提供一种生物质基聚氨酯耐磨管材及其制备方法。本发明以柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体为功能基体，并配合香草酸、超高分子量聚乙烯粉末、纳米二氧化硅、石墨烯以及抗氧剂、紫外吸收剂、催化剂、润滑剂和偶联剂等组分协同构建多重增强体系。其中，柠康酸、尿素与氨基硅烷在生物质基聚氨酯预聚体中形成协同限域增强结构，香草酸进一步增强聚氨酯分子链间作用力和界面稳定性，从而获得具有优异耐磨性能和力学性能的耐磨管材。本发明通过协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体的构建、功能填料的均匀分散以及挤出成型工艺的协同作用，实现耐磨管材的高性能制备。本发明通过构建柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域增强结构，并结合香草酸与多种功能填料的协同作用，显著提高了生物质基聚氨酯耐磨管材的耐磨性能、抗冲击性能及使用寿命。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种生物质基聚氨酯耐磨管材，包括以下重量份的原料：柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体80～140份；聚醚多元醇10～40份；扩链剂3～15份；香草酸1～10份；超高分子量聚乙烯粉末5～30份；纳米二氧化硅2～20份；石墨烯0.2～3份；抗氧剂0.1～2份；紫外吸收剂0.1～2份；催化剂0.05～1份；润滑剂0.1～3份；偶联剂0.1～3份；所述柠康酸通过羧基与生物质基聚氨酯预聚体形成缔合作用，尿素通过氨基和羰基形成氢键缔合网络，γ-氨丙基三乙氧基硅烷经水解缩聚形成硅氧交联网络，三者协同限域于生物质基聚氨酯预聚体中形成增强结构。

4、可选地，柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体包括以下重量份的原料：生物质基聚氨酯预聚体80～150份；柠康酸3～20份；尿素2～15份；γ-氨丙基三乙氧基硅烷5～25份；乙醇30～120份；去离子水40～150份。

5、可选地，柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体的制备方法包括以下步骤：

6、（1）将柠康酸加入乙醇和去离子水组成的混合溶剂中，加热搅拌至完全溶解，随后加入尿素，在搅拌条件下进行缔合反应，得到柠康酸-尿素缔合溶液；

7、（2）向柠康酸-尿素缔合溶液中加入γ-氨丙基三乙氧基硅烷，继续搅拌反应，使γ-氨丙基三乙氧基硅烷发生水解和缩聚反应，形成含有硅氧网络结构的协同改性体系；

8、（3）向协同改性体系中加入生物质基聚氨酯预聚体，在加热搅拌条件下进行接枝复合反应，反应结束后冷却，得到柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体。

9、可选地，步骤（1）中所述柠康酸与尿素的反应条件为：反应温度40～70℃，反应时间30～120min，搅拌速度300～700rpm。

10、可选地，步骤（2）中所述γ-氨丙基三乙氧基硅烷的水解缩聚反应条件为：反应温度50～80℃，反应时间1～4h，体系ph为4.5～6.5，搅拌速度400～800rpm。

11、可选地，步骤（3）中所述协同改性体系与生物质基聚氨酯预聚体的复合反应条件为：反应温度60～90℃，反应时间2～6h，搅拌速度400～900rpm。

12、可选地，扩链剂由1,4-丁二醇与二乙醇胺按照质量比为（3～8）：1混合而成；所述抗氧剂由抗氧剂1010与抗氧剂168按照质量比为（1～4）：1混合而成；所述紫外吸收剂由紫外吸收剂uv-531与紫外吸收剂uv-328按照质量比为（1～5）：1混合而成；所述催化剂由二月桂酸二丁基锡与辛酸亚锡按照质量比为（1～3）：1混合而成；所述润滑剂由硬脂酸锌与乙撑双硬脂酰胺按照质量比为（1～4）：1混合而成；所述偶联剂由γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷与乙烯基三（β-甲氧基乙氧基）硅烷按照质量比为（1～3）：1混合而成。

13、可选地，一种生物质基聚氨酯耐磨管材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

14、s1，将柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体、聚醚多元醇、扩链剂和香草酸加入混合设备中，在加热条件下搅拌混合均匀，得到预混料；

15、s2，向预混料中加入超高分子量聚乙烯粉末、纳米二氧化硅、石墨烯、抗氧剂、紫外吸收剂、催化剂、润滑剂和偶联剂，继续搅拌分散，随后进行真空脱泡处理，得到成型料；

16、s3，将成型料加入挤出设备中进行熔融挤出，经定径、冷却、牵引和切割后，得到生物质基聚氨酯耐磨管材。

17、可选地，步骤s1的反应条件为混合温度为60～90℃，混合时间为30～120min，搅拌速度为300～800rpm。

18、可选地，步骤s2的反应条件为分散温度为70～100℃，分散时间为40～180min，搅拌速度为500～1200rpm，真空脱泡压力为-0.06～-0.10mpa，脱泡时间为10～60min；所述步骤s3的反应条件为挤出温度为140～200℃，螺杆转速为30～120rpm，定径温度为15～35℃，牵引速度为1～10m/min。

19、本发明的有益效果是：

20、本发明采用柠康酸-尿素-氨基硅烷协同限域改性生物质基聚氨酯预聚体作为核心增强体系，其中柠康酸通过羧基与聚氨酯分子链形成多点缔合作用，尿素通过氨基和羰基构建稳定的氢键缔合网络，氨基硅烷经水解缩聚形成硅氧交联网络，三者共同构建有机-无机协同限域增强结构。该结构能够有效提高聚氨酯基体内部的结构稳定性和应力传递效率，在受到摩擦磨损时能够分散和缓冲局部应力，从而显著提升耐磨管材的耐磨性能和抗疲劳性能。

21、本发明创新性地引入香草酸作为功能有机小分子，香草酸中的酚羟基和羧基能够与聚氨酯分子链及协同限域结构形成多重分子间作用力，提高体系内部结合强度和链段稳定性。同时，香草酸能够增强材料在外力冲击下的能量耗散能力，抑制微裂纹的产生与扩展，使耐磨管材在保持较高硬度的同时兼具良好的韧性和抗冲击性能，从而有效延长材料使用寿命。

22、本发明利用超高分子量聚乙烯粉末、纳米二氧化硅和石墨烯构建多尺度增强体系，其中超高分子量聚乙烯粉末能够降低摩擦系数并改善滑动磨损性能，纳米二氧化硅能够提高材料表面硬度和耐磨能力，石墨烯能够增强材料内部应力传递能力和结构完整性。各组分之间相互协同作用，使耐磨管材在高流速、高浓度颗粒介质冲刷环境下仍能够保持优异的耐磨性能和结构稳定性。

23、本发明通过协同限域增强结构与多尺度增强体系的共同作用，提高了功能填料与生物质基聚氨酯基体之间的界面相容性和分散均匀性，有效减少填料团聚现象和应力集中问题，从而进一步提升材料的抗撕裂性能、抗冲击性能和耐老化性能，保证管材在长期复杂工况下的稳定运行。

24、此外，本发明采用生物质基聚氨酯预聚体作为主要基体材料，提高了可再生资源的利用率，降低了对传统石油基原料的依赖，在兼顾优异耐磨性能和力学性能的同时，具有良好的环境友好性和应用推广价值，可广泛应用于矿浆输送、尾矿输送、煤浆输送以及其他高磨损介质输送领域。。