CN102101942A - 一种增强型聚氨酯硬泡材料及其制造方法 - Google Patents

一种增强型聚氨酯硬泡材料及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增强型聚氨酯硬质泡沫材料制造配方及其制造方法。将一种高抗拉强度和弹性模量，线径小于10μm的聚丙烯腈基碳纤维丝，掺混于生产增强型聚氨酯硬质泡沫配方材料中。生产用原料包括A、B、C三组分。A组分包括多元醇、发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂、交联剂、阻燃剂、助剂等；B组分为异氰酸酯；C组分为不等长短切碳纤维。生产过程中先将碳纤维丝与A组分充分搅拌使其均匀，而后将B组分倒入A组分中快速搅拌均匀至乳白色泛起，随后立即将组合料倒入模具中发泡获得增强型聚氨酯硬泡材料。本增强型聚氨酯硬质泡沫在保持原有物理性能不变的前提下，抗压强度、抗拉伸强度、尺寸变化率等力学指标均得以显著提高。

Description

一种增强型聚氨酯硬泡材料及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种增强型聚氨酯硬泡材料制造配方及其合成方法。具体指增强型聚氨酯硬泡材料的制造配方参数、合成步骤、操作要领以及对聚丙烯腈基碳纤维丝的材料要求及作为本合成材料中C组份材料的制备要求，属于高分子材料制造技术领域。
背景技术
增强聚氨酯硬泡材料是通过辅料的加入，控制其化学合成过程，使其物理指标得到明显改善的合成型聚氨酯硬泡材料。本合成材料不仅抗压强度、抗拉伸强度显著提高，尺寸稳定性明显改善，而且制造成本的上升相对材料性能的提高有相对的大幅降低。根据辅料的不同，增强聚氨酯硬泡材料可分为纤维增强型聚氨酯硬泡材料、粒子增强型聚氨酯硬泡材料以及纤维与粒子复合增强型聚氨酯硬泡材料三类。
由于碳纤维本身具有极为优异的力学性能，用其作为增强型聚氨酯硬泡材料辅料备受关注。作为增强剂，由于碳纤维本身的力学性能好，其加入量可相对较少。国外Ticona最近引进了一种新型长碳纤维增强的PA66，具有很高的刚性、韧性和耐冲击性能(中国合成树脂及塑料工业信息总站，2000--2001年国外塑料工业发展[J]，塑料工业，2002)。Murthy等在聚碳酸酯发泡体中引入镀镍的石墨短纤维，材料的力学性能优异(Murthy MV，Luxon BA，Carey R S.Metal coated graphite fiber structural foam composites[A].Fourteen AnnualStructural Foam Conference and Competition，Boston，Massachusetts，USA，1986.)。Wu等人不久前曾研究了碳纤维增强的聚氨酯硬泡材料，发现其耐水性非常优越，而且能经受深水区强大的水压，现在已用于海底水管的制作(Wu G M，Schceltz J M，Processing and Properties ofSolution Impregnated Carbon Fiber Reinforced Polyethersulfone Composite[J]，PolymerComposite，2000，21(2)：223-230)。在本专利中，我们利用长短不一的短切碳纤维乱丝来作增强型聚氨酯硬泡辅料，试验中发现不仅合成材料的多项理化指标明显改善，而且制造成本相比材料性能的提高有大幅降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种增强型聚氨酯硬泡工程材料及其制造方法。本发明的技术要领在于增强型聚氨酯硬泡材料的组合配方以及将一种具有较强刚性和强度，较高抗冲击性能的长短不一的短切碳纤维丝，用于生产聚氨酯硬质泡沫保温材料中。其特征在于由A、B、C三种组分合成；A组分包括100份多元醇、20～30份发泡剂、2～4份催化剂、1.5～3份泡沫稳定剂、20～40份交联剂、5～10份复合阻燃剂、0～5份助剂；B组分为异氰酸酯；C组分为不等长短切碳纤维；按质量比，A∶B组分比为1∶1.05～1.20；按质量百分比，C组分为A组分的3％～6％。
增强型聚氨酯硬泡材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在室温下(15～40℃)，先加入A组分中的各原料混合并搅拌均匀(搅拌均匀后俗称“白料”)；
2)加入一定组份或质量的碳纤维丝再与A料一起搅拌均匀；
3)将B组分倒入A组分中快速搅拌至乳白色泛起时，立即倒入发泡容器中获得增强型聚氨酯硬泡材料(实际生产中是将步骤2后的白料和B料通过双组份浇注机在管道内直接混合浇注)。容器温度以不低于6℃为宜，容器内热稳定时间不少于15～30min。
实施案例
实施案例中所有的组分或原料均按质量比计算，本发明用于工程实例时须考虑环境影响和工程施工规范的要求。实施例：
环境条件：室内；环境温度28℃；相对湿度86％RH。
材料：
A组分包括：100份聚醚多元醇4110；30份发泡剂141B；2份水溶性硅油泡沫稳定剂；3份复合催化剂TEA+T-12；30份乙二胺交联剂；适量复合阻燃剂DEEP+N12；
B组分包括150份MDI PM-200；
C为线径7μm，抗拉强度3300MPa，弹性模量240GPa，断裂伸长率1.36％，长度10～100mm，不规则短切聚丙烯腈基碳纤维丝XK-3，组分为A组分的3％～10％。
器具设备：
万能拉力测试机HY-0580；不锈钢料筒300L；强力搅拌机100W；恒温水槽及容器；电子称JSC；玻璃放水瓶10L；玻璃烧杯、机械秒表；
制备方法：
1)先加入A组分中的各原料混合并搅拌均匀；
2)加入一定组份或质量的碳纤维丝再与A料一起搅拌均匀；
3)将B组分倒入A组分中，用强力搅拌机快速搅拌至乳白色泛起时，立即倒入已做脱模处理的不锈钢料筒中，获得增强型聚氨酯硬泡材料。脱模时间不少于20min。
所得制品依据碳纤维在A组分中的不同配比所得出的其物理性能如下：
物理性能   样品1(0％)   样品2(4％)   样品3(8％)   样品4(15％)
  导热系数*W/(m·K)   0.022   0.022   0.024   0.028
  抗压强度kPa   220   370   410   430
  抗拉伸强度kPa   320   600   680   700
  尺寸变化率(70℃×48h)％ 0.98 0.94 0.91 0.89
*为委托检验项目
结论：测试结果表明，在添加4％组份的碳纤维后，材料在原物理性能基础上，抗压强度、抗拉伸强度均有大幅度的提高，尺寸变化率也稍有提高，这是增强型硬泡材料整体稳定性有所提高的说明。但材料的导热系数在碳纤维组份增加到10％后反而有所下降，这可以推断是由于碳纤维组份的增加，导致了材料闭孔率的减低，部分热量直接通过平行于热流方向的纤维进行了热传导而致使导热系数的降低。另外，过量碳纤维(＞15％)的加入将破坏异氰酸酯基团的交链，最终导致粘结强度和抗拉伸强度的迅速减低。所以，碳纤维的添加量以4％～8％之间为宜。

Claims (3)

1.一种用于建筑外墙保温的增强型聚氨酯硬泡材料，其特征在于由A、B、C三种组分合成；A组分包括100份多元醇、20～30份发泡剂、2～4份催化剂、1.5～3份泡沫稳定剂、20～40份交联剂、5～10份复合阻燃剂、0～5份助剂；B组分为异氰酸酯；C组分为不等长短切碳纤维；按质量比，A∶B组分比为1∶1.05～1.20；按质量百分比，C组分为A组分的3％～6％。
2.如权利要求1所述的增强型聚氨酯硬泡材料，其特征在于所用碳纤维为抗拉强度≥3300MPa，弹性模量≥230GPa，断裂伸长率约为1.4％，直径φ＝6～10μm，长度为10～100mm不等长短切碳纤维乱丝。
3.如权利要求1所述的增强型聚氨酯硬泡材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在室温下(15～40℃)，先加入A组分中的各原料并混合均匀(搅拌均匀后俗称“白料”)；
2)加入一定组份或质量的碳纤维丝再与A料一起搅拌均匀；
3)将B组分倒入A组分中一起搅拌均匀至乳白色泛起时，立即倒入发泡容器中获得增强型聚氨酯硬泡材料(实际生产中是将步骤2后的白料和B料通过双组份浇注机在管道内直接混合浇注)。容器温度以不低于6℃为宜，容器内热稳定时间不少于15～30分钟。
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