CN103059252A - 一种疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法和应用，属高分子吸油材料合成及环保领域。其特点是：异氰酸酯20-40份，聚乙二醇/三醇0-20份，聚丙二醇/三醇30-95份，聚四亚甲基醚二醇/三醇5-50份，交联剂1.1-4.8份，表面活性剂1.0-4.0份，发泡剂1-15份，阻燃剂3-20份，催化剂0.5-5份，一步发泡制得。该材料可快速吸油，3分钟内吸油率(g·g-1)分别为：硝基苯83、四氯化碳80、丙酮69、二甲苯67、甲苯62、煤油52、柴油47；在震荡混合的油水体系中重复使用基本不吸水。该材料可有效快速地用于动态水面、地面或其它物体表面泄漏油或有机试剂的回收和泄油事故处理。
Description
(一)技术领域
本发明涉及一种疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法和应用，属高分子吸油材料合成及环保领域。具体涉及一种聚四亚甲基醚三醇型高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法。
(二)背景技术
随着工业的发展和人民生活水平的提高，全球范围内对石油产品的需求不断增大，随之而来的石油泄漏也在逐渐增多，对海洋生态环境和人类的生活造成了严重的威胁。
用吸油材料吸附泄漏油是处理油污染的理想方法。传统的吸油材料中的无机材料(如黏土、沸石、硅藻土等)或天然有机材料(如秸秆、羽毛、木屑等)虽便宜易得，但是无机材料存在吸油率低、不易作业、回收不方便等缺点；而天然有机材料则存在易下沉、吸附能力弱、对油水的分辨率低等缺点。有机合成材料因其疏水性或亲油性好，成为近期科研工作者研究的重点。
常用的有机合成吸油材料有：聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯及其它类吸油性树脂，但是这些材料存在吸附能力小、吸附速率慢、油及材料不易回收利用等缺点。相比较而言，低密度、高开孔率的软质聚氨酯泡沫因吸油量大、吸附速率快、油及材料易于回收利用等而受到广泛的关注。但是由于聚氨酯泡沫材料分子结构中含有大量的醚键、氨基甲酸酯键及酰胺键等，这使材料吸油的同时也能吸较多量的水。
Paola Calcagnile等(Paola Calcagnile，Despina Fragouli，Ilker S.Bayer，George C.Anyfantis，Luigi Martiradonna，P.Davide Cozzoli，Roberto Cingolani，Athanassia Athanassiou.Magneticallydriven floating foams for the removal of oil contaminants from water[J].American chemical society，2012，6(6)：5413-5419)用超顺磁性的氧化铁纳米(NPs)微粒和聚四氟乙烯(PTFE)微粒对聚氨酯改性，改性后的材料(PU/PTFE/NPs)可用磁力驱动且吸附速率变大，但其在纯油体系中吸油率低(13g·g-1)；
Hua Li等(Hua Li，Lifen Liu，Fenglin Yang.Hydrophobic modification of polyurethane foam foroil spill cleanup[J].Marine pollution bulletin，2012，64(8)：1648-1653)用甲基丙烯酸月桂脂(LMA)对聚氨酯材料表面接枝改性(PU-g-LMA)或用LMA微球包覆改性(PU-LMA microspheres)，与改性前相比，改性后材料对柴油的吸附率增加了26.82％(PU-LMA microspheres)、18.19％(PU-g-LMA)，但在柴油水分层体系中材料对柴油的吸附率降低了43.67％(PU-LMAmicrospheres)、19.88％PU-g-LMA)。
(三)发明内容
本发明的目的是提供一种方法简单、吸油速率快、吸油率高、油水选择性好的疏水性高吸油聚氨酯泡沫及其制备方法。该疏水性高吸油聚氨酯泡沫可用于各种油品，如：硝基苯、四氯化碳、丙酮、二甲苯、甲苯、煤油、吡啶、柴油等的吸附回收，适用于地面、动态水面各种油品大量泄漏的回收，且在动态水面和在纯油体系中两者吸油率没有明显差别。
本发明方法包括以下内容：
一种疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法，其特征在于由含1-4种异氰酸酯的组分I和由聚四亚甲基醚三醇、聚乙二醇/三醇、聚丙二醇/三醇、交联剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂、催化剂等组成的组分II制备而成，组分I与组分II的质量比为0.2-0.4∶1；该疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料对硝基苯、四氯化碳、丙酮、二甲苯、甲苯、煤油、柴油、吡啶的吸油率在42-90g·g-1之间；对震荡混合的甲苯水体系中甲苯的吸油率在60-80g·g-1之间，且基本不吸水。
各组分配比(按质量份算)如下：
异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、多亚甲基苯基多异氰酸酯等一种或多种的混合物。
聚醚多元醇为聚乙二醇/三醇、聚丙二醇/三醇、聚四亚甲基醚二醇/三醇等一种或多种的混合物，其羟值范围为25-180mgKOH·g-1。
交联剂为二乙醇胺、三乙醇胺、丙三醇、三羟甲基丙烷等的一种或几种的混合物。
泡沫稳定剂为有机硅泡沫稳定剂。
发泡剂为去离子水或蒸馏水。
阻燃剂为聚磷酸胺、磷酸三苯酯、三(氯异丙基)磷酸酯、三(β-氯乙基)磷酸酯等的一种或几种混合物。
催化剂为胺类催化剂、有机锡类催化剂或二者的混合物。胺催化剂包括：二甲基环己胺、二甲基乙醇胺、三乙胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、五甲基二乙烯三胺、五甲基二丙烯三胺等；有机锡催化剂包括：辛酸锡、辛酸亚锡、二丁基二月桂酸锡等。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料的制备方法如下：
将异氰酸酯按配方比例称量并混合均匀制成组分I。
将聚醚多元醇、交联剂、泡沫稳定剂、阻燃剂、发泡剂、催化剂等按配方比例称量并于机械搅拌下混合均匀，制成组分II。
组分II倒入组分I后用电动搅拌器以900-1500r/min的速度快速搅拌5-10s，立刻倒入自制的模具中自由发泡1-5min，再熟化1-8h后切割成适宜尺寸，测试疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料性能。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料能吸附多种油品，如：硝基苯、四氯化碳、丙酮、二甲苯、甲苯、煤油、吡啶、柴油等。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料是一种强亲油性聚氨酯泡沫材料，能吸附纯油体系、动态油水分层体系及油水混合体系中的油。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料对油有很好的选择性，材料在震荡混合的油水体系中的吸油率与在纯油体系中的吸油率没有明显差别。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料的吸附速率快、吸油能力强，3分钟内对硝基苯的吸油率大于83g·g-1、四氯化碳的大于80g·g-1。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料重复使用性好，将吸附的油挤压出后材料不变形，重复使用多次后吸油率不降低。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料使用方便，挤压后不经后处理即可再次使用。
本发明所涉及的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料可以有效的用于大面积的水面、地面油品泄漏的回收。
(四)具体实施方式
实施例1
实施例1为普通软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例1中泡沫所用聚醚多元醇为聚乙二醇、聚丙二醇，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为35g·g-1、33.5g·g-1、23g·g-1、13.2g·g-1、13g·g-1。
实施例2
实施例2为普通软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例2中泡沫所用聚醚多元醇为聚乙二醇、聚丙二醇，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为38g·g-1、36.2g·g-1、29g·g-1、15.5g·g-1、15g·g-1。
实施例3
实施例3为普通软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例3中泡沫所用聚醚多元醇为聚丙二醇，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为42g·g-1、41.3g·g-1、36g·g-1、17.8g·g-1、16.9g·g-1。
实施例4
实施例4为疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例4中泡沫所用聚醚多元醇为聚丙二醇、聚四亚甲基醚二醇、聚四亚甲基醚三醇，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为65g·g-1、65g·g-1、49g·g-1、32g·g-1、31g·g-1。
实施例5
实施例5为疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例5中所用聚醚多元醇为聚丙二醇、聚四亚甲基醚三醇，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为70g·g-1、69g·g-1、52g·g-1、38g·g-1、35g·g-1。
实施例6
实施例6为疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形，待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例6中去离子水增加为7份，经测定对硝基苯、四氯化碳、二甲苯、柴油、吡啶的吸油率分别为81g·g-1、79g·g-1、59g·g-1、45g·g-1、40g·g-1。
实施例7
实施例7为疏水性高吸油聚氨酯泡沫材料，配方如下：
将组分II中各成分用电动搅拌器混合均匀，制成组分II。
将组分I倒入到组分II中，用电动搅拌器快速搅拌9s，倒入自制模具中自由发泡成形。待材料熟化后切割，测试材料性能。
实施例7中甲苯二异氰酸酯量减少，经测定对硝基苯、四氯化碳、丙酮、二甲苯、甲苯、煤油、柴油、吡啶的吸油率分别为83g·g-1、80g·g-1、69g·g-1、67g·g-1、62g·g-1、52g·g-1、47g·g-1、42g·g-1；对震荡混合的甲苯水体系中甲苯的吸油率大于60g·g-1，且基本不吸水。
聚氨酯泡沫材料性能测试方法如下：
1.纯油体系中吸油率测试
用剪刀切割聚氨酯泡沫块，将聚氨酯泡沫材料切割为1.5cm×1.5cm×1.5cm立方体，用万分之一天平准确称量聚氨酯泡沫材料质量，记为m1。
向250mL烧杯中加入油100mL，将切割好的聚氨酯泡沫轻轻放入油面上，吸附1-5分钟后取出，在滤网上静置5分钟，用万分之一天平准确称质量，记为记为m2。吸油率(g·g-1)计算公式如下：
2.油水分层体系中吸油性能测试
用剪刀切割聚氨酯泡沫块，将聚氨酯泡沫材料切割为1.5cm×1.5cm×1.5cm立方体，用万分之一天平准确称量聚氨酯泡沫材料质量，记为m1。
向250mL烧杯中加入200mL水，再加入甲苯(或其它油)10mL，使水面油厚度在2-3mm左右，将烧杯放到摇床上摇动15分钟后，在摇动状态下将切割好的聚氨酯泡沫材料轻放到液面上，继续摇动吸附3分钟后取出，准确称质量，记为m3。吸油率(g·g-1)计算公式如下：
Claims (6)
1.一种疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料及其制备方法，其特征在于该材料由含1-4种异氰酸酯的组分I和由聚四亚甲基醚三醇及其它类聚醚多元醇、交联剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂、催化剂等组成的组分II制备而成，组分I与组分II的质量比为0.2-0.4∶1；该疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料对硝基苯、四氯化碳、丙酮、二甲苯、甲苯、煤油、柴油、吡啶的吸油率分别为83g·g-1、80g·g-1、69g·g-1、67g·g-1、62g·g-1、52g·g-1、47g·g-1、42g·g-1；对震荡混合的甲苯水体系中甲苯的吸油率大于60g·g-1，且基本不吸水。
2.根据权利要求1中所述的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述的异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、多亚甲基苯基多异氰酸酯等的一种或多种的混合物。
3.根据权利要求1中所述的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述的聚四亚甲基醚三醇的用量为5-50份，其它类聚醚多元醇为聚乙二醇/三醇、聚丙二醇/三醇、聚四亚甲基醚二醇的一种或多种的混合物，羟值范围为25-180mg KOH·g-1。
4.根据权利要求1中所述的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述的交联剂为二乙醇胺、三乙醇胺、丙三醇、三羟甲基丙烷等的一种或几种的混合物；泡沫稳定剂为有机硅泡沫稳定剂；发泡剂为去离子水或蒸馏水；阻燃剂为聚磷酸胺、磷酸三苯酯、三(氯异丙基)磷酸酯、三(β-氯乙基)磷酸酯等的一种或几种混合物；催化剂为胺类催化剂、有机锡类催化剂或二者的混合物，胺催化剂为二甲基环己胺、二甲基乙醇胺、三乙胺、三乙烯二胺、四甲基乙二胺、五甲基二乙烯三胺、五甲基二丙烯三胺等中的一种或几种；有机锡催化剂为辛酸锡、辛酸亚锡、二丁基二月桂酸锡等中的一种或几种。
5.根据权利要求1中所述的疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料，其特征在于配方如下：
6.根据权利要求1中所述的疏水性高吸油性软质聚氨酯泡沫材料，其特征在于制备方法如下：
将异氰酸酯按配方比例称量制成组分I；将聚乙二醇/三醇、聚丙二醇/三醇、聚四亚甲基醚二醇/三醇、交联剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂、催化剂等按配方比例称量并于电动搅拌器下混合均匀，制成组分II；组分II倒入组分I后用电动搅拌器以900-1500r·min-1的速度快速搅拌5-10s，立刻倒入自制的模具中自由发泡成型1-5min，再熟化1-8h后得疏水性高吸油软质聚氨酯泡沫材料。
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