CN103951966A - 硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，是以如下原料，发泡制备得到：聚醚/聚酯多元醇、复合催化剂、泡沫稳定剂、水、混合发泡剂、多异氰酸酯、含羟基的二氧化硅气凝胶溶液。本发明的优点在于：1）工艺简单，可大规模工业化生产；2）含羟基的二氧化硅气凝胶树脂的加入，提高了泡沫的机械强度和保温性能，可适用入更加极端的超低温环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种硬质聚氨酯复合泡沫塑料及其制备方法，具体涉及一种低密度硬质聚氨酯(PU)-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料的制备方法。
背景技术
常规聚氨酯泡沫塑料是由聚醚多元醇和异氰酸酯在发泡剂作用下制得的泡沫制品，具有优良的保温性能、力学性能、电学性能、声学性能和耐化学品性能，特别是具有优异的绝热性能，而广泛应用于冰箱、冷柜、冷库板、夹心板、管道保温、冷藏集装箱、建筑节能等绝热保温领域。
但是PU泡沫存在机械强度不足、阻燃性能偏差等缺点，限制了其在特种材料领域的应用。用于储罐保冷绝热的材料应满足导热系数小、密度小、吸湿性小、吸水率小、抗冻性强、极低温下不会开裂、耐火性好、烟密度小、无气味、不易霉烂、对人体无害、能防止虫蛀鼠咬、机械强度高、经久耐用、价格低及施工方便等要求。
因此通过材料复合对聚氨酯硬质泡沫材料进行改性，使其在保证良好导热性能的前提下，具备良好的静态和动态压缩强度、冲击强度、刚度、尺寸稳定性以及较高的断裂性能，以被广泛应用到液化天然气（LNG）低温储罐超低温保温绝热材料中。
发明内容
本发明的目的是提供低密度硬质聚氨酯(PU)-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料及其制备方法，以克服现有技术存在的缺陷。
本发明的技术解决方案是：
一种硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：是以如下重量份数的原料，发泡制备得到：
聚醚/聚酯多元醇100份
复合催化剂0.5-3份
泡沫稳定剂1.5-3.5份
水1-3份
混合发泡剂15-25份
多异氰酸酯150-300份
含羟基的二氧化硅气凝胶溶液10-50份。
所述的聚醚多元醇选自：
由以蔗糖和二甘醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇a、以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇b、以季戊四醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇c、以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得的聚醚多元醇d、以PET和二乙二醇为原料反应制得的芳烃聚酯多元醇e、以苯酐和二乙二醇为原料反应制得的苯酐聚酯多元醇f、以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇g或小分子多元醇h中的两种或两种以上。
以所述的聚醚多元醇中的一种为主，其余的辅，为主的聚醚多元醇与为辅的聚醚多元醇的重量比为2-5：1。
所述的聚醚多元醇a羟值为400-440mgKOH/g；
聚醚多元醇b羟值为260-300mgKOH/g；
蒙醚多元醇c羟值为420-460mgKOH/g；
聚醚多元醇d羟值为740-780mgKOH/g；
芳烃聚酯多元醇e羟值为380-420mgKOH/g；
苯酐聚酯多元醇f羟值为300-340mgKOH/g；
阻燃聚醚多元醇g羟值为450-500mgKOH/g；
小分子多元醇g为甘油、乙二醇、丁二醇或三乙醇胺的一种以上。
所述的复合催化剂选自胺类催化剂和有机锡类催化剂的复合物；所述胺类催化剂为三乙醇胺、二甲基环己胺、三乙烯二胺、五甲基二亚乙基三胺中的一种以上；所述有机锡类催化剂选自辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡或二马来酸二丁基锡中的一种以上；胺类催化剂和有机锡类催化剂的重量比为0.5-3：1。
所述的泡沫稳定剂选自聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物，如美思德公司牌号为AK8805、中山东峻公司牌号为3633等的产品；
所述的混合发泡剂选自一氟二氯乙烷（HCFC-141b）、五氟丙烷（HFC-254fa）、环戊烷、五氟丁烷（HFC-365mfc）或异戊烷中的一种以上。
所述的多异氰酸酯为多亚甲基苯基多异氰酸酯，NCO含量在29～33重量%；所述的含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为50-100mgKOH/g。
一种硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料的制备方法，其特征是：包括如下步骤：将各个组分混合后在模具中发泡，发泡温度为20～40℃，即可获得硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料；
物料混合顺序为：
(1)将聚醚/聚酯多元醇、复合催化剂、泡沫稳定剂、水、混合发泡剂和含羟基的二氧化硅气凝胶树脂混合，获得混合物A；
(2)将多异氰酸酯与混合物A混合后在模具中发泡。
本发明的优点在于：1）工艺简单，可大规模工业化生产；2）含羟基的二氧化硅气凝胶树脂的加入，提高了泡沫的机械强度和保温性能，可适用入更加极端的超低温环境。
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
实施例1-6，组分的配比和所制泡沫的各项性能见表1。
表1泡沫组分配比及各项性能参数
| 序号 | 组分 | 实例1 | 实例2 | 实例3 | 实例4 | 实例5 | 实例6 |
| 1 | 聚醚多元醇a | 60 | 60 | ||||
| 2 | 聚醚多元醇b | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 |
| 3 | 聚醚多元醇c | 5 | 60 | 60 | |||
| 4 | 聚醚多元醇d | 5 | 5 | 5 | 5 | ||
| 5 | 芳烃聚酯多元醇e | 20 | 20 | 20 | |||
| 6 | 苯酐聚酯多元醇f | 20 | 20 | 20 | |||
| 7 | 阻燃聚醚多元醇g | 5 | 5 | 60 | 60 | ||
| 8 | 多元醇h | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 | |
| 9 | 催化剂a | 0.6 | 0.5 | 0.6 | 0.4 | 0.4 | 0.5 |
| 10 | 催化剂b | 1.0 | 1.2 | 1.0 | 1.2 | 1.0 | 0.8 |
| 11 | 泡沫稳定剂 | 2.5 | 3 | 2.5 | 3 | 2.5 | 3 |
| 水 | 1.0 | 1.2 | 1.0 | 1.2 | 1.0 | 1.2 | |
| 12 | 发泡剂 | 15 | 16 | 18 | 20 | 22 | 24 |
| 13 | 含羟基的二氧化硅气凝胶 | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 | 30 |
| 14 | 异氰酸酯 | 150 | 160 | 170 | 180 | 190 | 200 |
| 15 | 泡沫密度kg/m3 | 48 | 50 | 52 | 49 | 54 | 55 |
| 16 | 导热系数W/(m.K) | 0.022 | 0.020 | 0.019 | 0.018 | 0.017 | 0.017 |
| 17 | 压缩强度kpa | 220 | 250 | 270 | 240 | 230 | 210 |
| 18 | 抗拉强度kpa | 180 | 210 | 230 | 210 | 190 | 170 |
| 19 | 氧指数% | 22 | 20.9 | 22.5 | 22 | 24.8 | 25.5 |
实施例1
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表1中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为50℃。
聚醚多元醇a以蔗糖和二甘醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为400-440mgKOH/g；聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇c以季戊四醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为420-460mgKOH/g；芳烃聚酯多元醇e以PET和二乙二醇为原料反应制得，羟值为380-420mgKOH/g；阻燃聚醚多元醇g以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为450-500mgKOH/g；
催化剂a为三乙醇胺，催化剂b为辛酸亚锡；泡沫稳定剂为AK8805；发泡剂为二氯一氟乙烷(HCFC-14lb)；异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO为30%（重量百分数）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为60mgKOH/g；
制成的泡沫密度为48kg/m3，导热系数为0.022W/(m.K)，压缩强度为220kpa，抗拉强度180kpa，极限氧指数为22%。
实施例2
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为60℃。
聚醚多元醇a以蔗糖和二甘醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为400-440mgKOH/g；聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇d以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得，羟值为740-780mgKOH/g；苯酐聚酯多元醇f以苯酐和二乙二醇为原料反应制得，羟值为300-340mgKOH/g；多元醇h:甘油（丙三醇）；
催化剂a为二甲基乙醇胺，催化剂b为二月桂酸二丁基锡；泡沫稳定剂为AK8805；发泡剂为二氯一氟乙烷（HCFC141-b）；异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO含量在31%（重量百分数）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为70mgKOH/g；
制成的泡沫密度为50kg/m3，导热系数为0.020W/(m.K)，压缩强度为250kpa，抗拉强度210kpa，极限氧指数为20.9%。
实施例3
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为80℃。
聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇c以季戊四醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为420-460mgKOH/g；芳烃聚酯多元醇e以PET和二乙二醇为原料反应制得，羟值为380-420mgKOH/g；阻燃聚醚多元醇g以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为450-500mgKOH/g；多元醇h:甘油（丙三醇）；
催化剂a为二甲基环己胺，催化剂b为二月桂酸二丁基锡；泡沫稳定剂为AK8805（水溶性硅油）；发泡剂为环戊烷；异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO含量在29.6%（重量百分数）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为80mgKOH/g；
制成的泡沫密度为52kg/m3，导热系数为0.019W/(m.K)，压缩强度为270kpa，抗拉强度230kpa，极限氧指数为22.5%。
实施例4
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为90℃。
聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇c以季戊四醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为420-460mgKOH/g；聚醚多元醇d以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得，羟值为740-780mgKOH/g；苯酐聚酯多元醇f以苯酐和二乙二醇为原料反应制得，羟值为300-340mgKOH/g；多元醇h:季戊四醇；
催化剂a为三乙烯二胺，催化剂b为二乙酸二丁基锡；泡沫稳定剂为AK8805（水溶性硅油）；[0102]发泡剂为环己烷；异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO含量在30.5%（重量百分比）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为50mgKOH/g；
制成的泡沫密度为49kg/m3，导热系数为0.018W/(m.K)，压缩强度为240kpa，抗拉强度210kpa，极限氧指数为22%。
实施例5
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为100℃。
聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇d以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得，羟值为740-780mgKOH/g；芳烃聚酯多元醇e以PET和二乙二醇为原料反应制得，羟值为380-420mgKOH/g；阻燃聚醚多元醇g以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为450-500mgKOH/g；多元醇h:季戊四醇；
催化剂a为N’，N-二甲基吡啶，催化剂b为二马来酸二丁基锡；[0113]稳泡剂为3633；发泡剂为HFC-245fa（五氟丙烷）异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO含量在29.4%（重量百分比）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为50mgKOH/g；
制成的泡沫密度为54kg/m3，导热系数为0.017W/(m.K)，压缩强度为230kpa，抗拉强度190kpa，极限氧指数为24.8%。
实施例6
聚氨酯硬质泡沫的制备步骤：按照表1中的比例，将聚醚多元醇、聚酯多元醇、稳泡剂、水、复合催化剂和发泡剂混合均匀得到组合聚醚多元醇，最后与二氧化硅气凝胶、异氰酸酯高速搅拌混合，在模具中发泡，发泡温度为100℃。
聚醚多元醇b以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为260-300mgKOH/g；聚醚多元醇d以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得，羟值为740-780mgKOH/g；苯酐聚酯多元醇f以苯酐和二乙二醇为原料反应制得，羟值为300-340mgKOH/g；阻燃聚醚多元醇g以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得，羟值为450-500mgKOH/g；多元醇h:季戊四醇；
催化剂a为三乙醇胺，催化剂b为辛酸亚锡；泡沫稳定剂为AK8805；发泡剂为二氯一氟乙烷(HCFC-14lb)；异氰酸酯为PAPI（多亚甲基多苯基异氰酸酯），NCO为30%（重量百分数）；含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为50mgKOH/g；
制成的泡沫密度为55kg/m3，导热系数为0.017W/(m.K)，压缩强度为210kpa，抗拉强度170kpa，极限氧指数为25.5%。
Claims (9)
1.一种硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：是以如下重量份数的原料，发泡制备得到：
聚醚/聚酯多元醇100份
复合催化剂0.5-3份
泡沫稳定剂1.5-3.5份
水1-3份
混合发泡剂15-25份
多异氰酸酯150-300份
含羟基的二氧化硅气凝胶溶液10-50份。
2.根据权利要求1所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的聚醚多元醇选自：
由以蔗糖和二甘醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇a、以山梨醇和甘油为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇b、以季戊四醇为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇c、以甲苯二胺为起始剂与环氧丙烷和环氧乙烷经加成反应制得的聚醚多元醇d、以PET和二乙二醇为原料反应制得的芳烃聚酯多元醇e、以苯酐和二乙二醇为原料反应制得的苯酐聚酯多元醇f、以酚醛树脂为起始剂与环氧丙烷经加成反应制得的聚醚多元醇g或小分子多元醇h中的两种或两种以上。
3. 根据权利要求2所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：以所述的聚醚多元醇中的一种为主，其余的辅，为主的聚醚多元醇与为辅的聚醚多元醇的重量比为2-5：1。
4. 根据权利要求2所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的聚醚多元醇a羟值为400-440mgKOH/g；
聚醚多元醇b羟值为260-300mgKOH/g；
蒙醚多元醇c羟值为420-460mgKOH/g；
聚醚多元醇d羟值为740-780mgKOH/g；
芳烃聚酯多元醇e羟值为380-420mgKOH/g；
苯酐聚酯多元醇f羟值为300-340mgKOH/g；
阻燃聚醚多元醇g羟值为450-500mgKOH/g；
小分子多元醇g为甘油、乙二醇、丁二醇或三乙醇胺的一种以上。
5. 根据权利要求1、2、3或4所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的复合催化剂选自胺类催化剂和有机锡类催化剂的复合物；所述胺类催化剂为三乙醇胺、二甲基环己胺、三乙烯二胺、五甲基二亚乙基三胺中的一种以上；所述有机锡类催化剂选自辛酸亚锡、二月桂酸二丁基锡或二马来酸二丁基锡中的一种以上；胺类催化剂和有机锡类催化剂的重量比为0.5-3：1。
6. 根据权利要求1、2、3或4所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的泡沫稳定剂选自聚硅氧烷-多烷氧基醚共聚物。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的混合发泡剂选自一氟二氯乙烷、五氟丙烷、环戊烷、五氟丁烷或异戊烷中的一种以上。
8. 根据权利要求1、2、3或4所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料，其特征是：所述的多异氰酸酯为多亚甲基苯基多异氰酸酯，NCO含量在29～33重量%；所述的含羟基的二氧化硅气凝胶羟值为50-100mgKOH/g。
9. 一种权利要求1所述的硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料的制备方法，其特征是：包括如下步骤：将各个组分混合后在模具中发泡，发泡温度为20～40℃，即可获得硬质聚氨酯-气凝胶二氧化硅复合泡沫塑料；
物料混合顺序为：
(1)将聚醚/聚酯多元醇、复合催化剂、泡沫稳定剂、水、混合发泡剂和含羟基的二氧化硅气凝胶树脂混合，获得混合物A；
(2)将多异氰酸酯与混合物A混合后在模具中发泡。
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