CN104356346A - 一种发泡材料、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及材料领域，特别涉及一种发泡材料、制备方法及应用。本发明提供的发泡材料，按重量份，包括以下组分：100份沙生灌木液化产物，60-140份异氰酸酯，2-8份催化剂，0.5-2份发泡剂，2-6份成核剂；还可以包括1～2份的SiC纳米粒子。本发明提供的本发明的发泡材料，以沙生灌木液化产物为基料，加入异氰酸酯，再配以助剂，通过常规的发泡工艺制备而成，发泡材料的密度能达到0.04-0.07g/cm3，可完全代替聚氨酯泡沫材料，对环境不产生破坏，具有良好的吸声保温功能，并且具有较好的力学性能。

Description

一种发泡材料、制备方法及应用
技术领域
本发明涉及材料领域，特别涉及一种发泡材料、制备方法及应用。
背景技术
用传统方法生产聚氨酯的原料都是有毒有害原料，同时随着石油价格的不断上涨，这些原料的价格也在飞速上涨，聚氨酯行业不仅面临着原料紧张的问题，而且面临着生产成本的大幅提高。沙生灌木平茬后的枝条中含有大量活性基团，如果将其液化后可制备聚氨酯发泡材料，则不但能提高发泡材料的降解性能，解决聚氨酯行业原料紧张问题，还可以降低焚烧沙生灌木枝条造成的污染，提高沙生灌木枝条的价值。
以资源丰富、价格便宜的天然生物质资源作为聚氨酯原料开发的环境友好型聚氨酯泡沫的出现，不仅解决了聚氨酯行业面临的两大难题，还减少了传统方法聚氨酯对环境和人类的危害，大大的促进了建筑节能措施的实施，推动了聚氨酯行业的发展，同时改善了生态环境。由于本发明人发明研究了一种新型的发泡材料可完全代替聚氨酯泡沫材料。
另外，SiC纳米粒子本身具有一些特殊的性能，可以改善聚合物的性能，纳米粒子的加入之所以可以对聚合物起到增强、增韧的效果，是因为纳米粒子的表面活性高、非配对原子多，聚合物的部分官能团可与其发生化学或物理作用，提高了界面结合力，从而导致聚合物键的能动性降低，对聚合物起到增韧、增强作用。目前，关于SiC纳米粒子强化发泡材料的研究未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种发泡材料、制备方法及应用。该发泡材料绿色环保、吸声保温且力学性能好。
为了实现上述目的，本发明具体采用如下的技术方案：一种发泡材料，按重量份，包括以下组分：
优选地，本发明所述的发泡材料，按重量份，包括以下组分：
更优选的，本发明提供的发泡材料，按重量份，包括以下组分：
具体的，所述催化剂为辛酸亚锡和三乙烯二胺·六水，其中辛酸亚锡和三乙烯二胺·六水可以按照任意比例混合，优选的，辛酸亚锡与三乙烯二胺·六水的质量比为1～4：1～4；更优选的，辛酸亚锡与三乙烯二胺·六水的质量比为1:1。
所述发泡剂为蒸馏水。
所述成核剂为碳酸钙。
所述异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或几种，优选二苯基甲烷二异氰酸酯。
本发明所述的沙生灌木液化产物可选用现有技术中的任意产品，例如沙柳液化产物、柠条液化产物、红柳液化产物、沙棘液化产物、乌柳液化产物。优选沙柳液化产物。
更优选地，沙柳液化产物可采用如下的方法进行制备。具体的，包括以下步骤：
(1)将沙柳磨成木粉，然后使沙柳木粉、多元醇在浓硫酸的催化反应，所述沙柳木粉、多元醇的质量比为(3～6):1，浓硫酸加入的质量为多元醇质量的2～6％，在141～180℃的条件下反应30～100分钟；
(2)最后将步骤(1)得到的产物用丙酮反复稀释、抽滤直至无色，然后放入烘箱内直至丙酮蒸发完毕，取出液化产物密封备用。
具体的，步骤(1)中的多元醇选自聚乙二醇-乙二醇、聚乙二醇-丙三醇、乙二醇-丙三醇中的一种或几种；优选聚乙二醇-乙二醇。
优选的，在所述沙柳多元醇液化产物的制备过程中，为了使沙柳能够更充分的液化，优选将沙柳磨成小于40目的木粉。
因为浓硫酸在反应体系中既可以起到催化剂的作用，同时也会将沙柳木粉碳化，从而不利于液化反应的进行。为了液化效果最好，优选地，浓硫酸加入的质量为多元醇质量的5％。
为了使物料既可以充分反应，又能减少由于反应过度而引起的缩聚反应，优选的，沙柳木粉、多元醇的质量比为1:5。
为了使物料既可以充分反应，同时又能防止一部分液化产物继续发生缩聚反应生产大分子量的聚合物，优选地，反应温度为160℃，反应时间为60min。
为了使本发明的发泡材料具有更好的力学性能和吸声性能，本发明所述的发泡材料中还包括1～2份的SiC纳米粒子；优选的，包括1.5份的SiC纳米粒子。
具体的，本发明所述的SiC纳米粒子指的是粒径为40-50nm的SiC纳米粒子；优选粒径为40nm的SiC纳米粒子。
本发明的发泡材料，以沙生灌木液化产物为基料，加入异氰酸酯，再配以助剂，通过常规的发泡工艺制备而成，发泡材料的密度能达到0.04-0.07g/cm3，可完全代替聚氨酯泡沫材料，对环境不产生破坏，具有良好的吸声保温功能。
本发明还提供了所述发泡材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将沙生灌木液化产物、催化剂、发泡剂和成核剂加入模具中，搅拌均匀，得混合物；
(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上，得到SiC和异氰酸酯的混合物；
(3)将异氰酸酯或步骤(2)所述的SiC和异氰酸酯的混合物加入步骤(1)所得的混合物中，快速搅拌均匀，快速搅拌均匀，在60-90℃下固化1.5-3h，即得。
为了使SiC纳米粒子在异氰酸酯中分散的更均匀，发泡材料具有更好的力学性能，步骤(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上。
优选地，步骤(3)在80℃下固化2h。
本发明提供的发泡材料的制备方法简洁高效，节省了热力物力、降低了生产成本。
本发明提供的发泡材料可以替代聚氨酯泡沫材料，在实际生产生活中得到应用。
本发明提供的发泡材料还可以与板材采用“一步法”进行发泡，得到发泡复合材料，例如“三明治”发泡复合材料。所述板材包括胶合板、刨花板、密度板等。具体的，“三明治”发泡复合材料可采用如下的方法进行制备：
(1)将沙生灌木液化产物、催化剂、发泡剂和成核剂加入模具中，搅拌均匀，得混合物；
(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上，得到SiC和异氰酸酯的混合物；
(3)将异氰酸酯或步骤(2)所述的SiC和异氰酸酯的混合物加入步骤(1)所得的混合物中，然后注入“三明治”模具中(两边为板材，中间空心)，快速搅拌均匀，在60-80℃下固化1.5-3h，即得。
附图说明
图1为沙柳和沙柳液化产物的红外光谱图。
图2为实施例13制备得到的“三明治”发泡复合材料示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1-5
实施例1-5给出的是发泡材料的原料及其组成，具体如下表所示：
实施例6-10
实施例6-10给出的是发泡材料的原料及其组成，具体如下表所示：
实施例11
本实施例为实施例1～3和实施例6-8中所述沙柳液化产物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将沙柳磨成40目的木粉，然后使沙柳木粉、聚乙二醇-乙二醇在浓硫酸的催化反应，所述沙柳木粉、聚乙二醇-乙二醇的质量比为1:5，浓硫酸加入的质量为多元醇质量的5％，在160℃的条件下反应60分钟；
(2)最后将冷却后的液化产物用丙酮反复稀释，抽滤直至无色，将稀释后的液化产物放入60℃烘箱内直至丙酮蒸发完毕，取出液化产物密封备用。
沙柳及沙柳液化产物的红外光谱图如图1所述。在图1中上面一个曲线为沙柳的红外光谱图，下面一个曲线为沙柳液化产物的红外光谱图，从图中可以看出，沙柳木粉经聚乙二醇-乙二醇液化后，谱图上的主要变化集中在2000-1000cm-1这一波段。3363cm-1处的吸收峰是醇羟基中氢键的伸缩振动，峰型变宽吸收强度变大是由于残留聚乙二醇，乙二醇以及液化产物中羟基数量的增多；2869cm-1处的C-H吸收峰伸缩振动变强，说明液化后发生了取代反应，官能团增多；在2000-1000cm-1这一波段出现了新的特征峰而且峰形比较尖锐，其中1084cm-1此处的吸收峰代表C-O伸缩振动，仲醇及脂肪族醚；1051cm-1处的吸收峰是纤维素和半纤维素中的C-O伸缩振动，液化后C-O伸缩振动明显减弱，说明沙柳木粉与多元醇发生了反应；881cm-1处的吸收峰是1，2，4-三取代苯，这说明经过液化反应后，发生了取代反应。总体来说，沙柳木粉经多元醇液化后，发生了取代反应，且出现了新的特征峰，反应活性提高。
实施例12
本实施例为实施例1～10所述发泡材料的制备方法为，具体包括以下步骤：
(1)将沙生灌木液化产物、催化剂、发泡剂和成核剂加入模具中，搅拌均匀，得混合物；
(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上，得到SiC和异氰酸酯的混合物；
(3)将异氰酸酯或步骤(2)所述的SiC和异氰酸酯的混合物加入步骤(1)所得的混合物中，快速搅拌均匀，在80℃下固化2h，即得。
实施例13
本实施例为利用实施例1～实施例3的提供的发泡材料的原料，结合2mm厚的胶合板，制备“三明治”发泡复合材料，其示意图如图2所示。
具体的，该“三明治”发泡复合材料的制备采用如下的方法：
(1)将沙生灌木液化产物、催化剂、发泡剂和成核剂加入模具中，搅拌均匀，得混合物；
(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上，得到SiC和异氰酸酯的混合物；
(3)将异氰酸酯或步骤(3)所述的SiC和异氰酸酯的混合物加入步骤(2)所得的混合物中，然后注入“三明治”模具中(两边为板材，中间空心)，快速搅拌均匀，在80℃下固化2h，即得。
实验例1
对实施例1-5的发泡材料进行了密度测试，测试方法为本领域常规的测试方法，结果为：实施例1发泡材料的密度为0.07g/cm3，实施例2发泡材料的密度为0.054g/cm3，实施例3发泡材料的密度为0.06g/cm3，实施例4发泡材料的密度为0.05g/cm3，实施例5发泡材料的密度为0.07g/cm3。
同时，对实施例1-2的发泡材料进行了吸声性能测试，测试方法为本领域常规的测试方法，结果为：实施例1发泡材料的吸声系数为0.72，实施例2发泡材料的吸声系数为0.61。
由实施例1和实施例2的实验数据可得，当沙柳液化产物为100g，异氰酸酯为120g，CaCO3为4g，催化剂为6g，水为1g时(即实施例2给出的原料及组成)，此条件下制备的发泡材料的密度为0.054g/cm3；当在实施例2的基础上再加入1.5g SiC纳米粒子(即实施例1给出的原料及组成)，此时保温吸声材料的力学性能达到最大值，泡沫材料的密度为0.072g/cm3，平均吸声系数都在0.5以上。
实验例2
对根据实施例的1-2发泡材料制备的“三明治”发泡复合材料进行了力学性能、吸声性能和保温性能的测试，具体的依据GBT8812.1-2007测量抗弯试样和弹性模量，依据JC/T998-2006测试内结合强度，利用驻波管法测定吸声系数，利用稳态双平板法测定导热系数，性能测试结果如下：
性能 实施例1 实施例2
弹性模量(GPa) 293.2 114.7
抗弯强度(MPa) 7.935 4.575
内结合强度(MPa) 0.3432 0.228
吸声系数 0.67 0.56
导热系数(W/(m·K)) 0.1297 0.1266
由实施例1和实施例2的实验数据可得，当沙柳多元醇液化产物为100g，异氰酸酯120g，CaCO3加量为4g，催化剂量加量为6g，水的加量为1g时(即实施例2给出的原料及组成)，此条件下制备的“三明治”发泡复合材料的抗弯强度为4.575Mpa，弹性模量为144.7Gpa，内结合强度为0.228Mpa；当在实施例2的基础上再加入1.5gSiC纳米粒子(即实施例1给出的原料及组成)，此条件下制备的“三明治”发泡复合材料的抗弯强度为7.935Mpa，弹性模量为293.7Gpa，内结合强度为0.3432Mpa。由此可见，SiC纳米粒子能对发泡材料的性能具有显著的改善。
同时，对根据实施例的3发泡材料制备的“三明治”发泡复合材料进行了力学性能测试，依据GBT8812.1-2007测量抗弯试样和弹性模量，依据JC/T998-2006测试内结合强度，其结果如下：弹性模量为87.5GPa，抗弯强度为5.288MPa，内结合强度为0.208MPa。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种发泡材料，其特征在于：按重量份，包括以下组分：
2.根据权利要求1所述的发泡材料，其特征在于：按重量份，包括以下组分：
3.根据权利要求1所述的发泡材料，其特征在于：按重量份，包括以下组分：
4.根据权利要求1-3任一项所述的发泡材料，其特征在于，所述异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯中的一种或几种；所述催化剂为辛酸亚锡和三乙烯二胺·六水；所述发泡剂为蒸馏水；所述成核剂为碳酸钙；所述沙生灌木液化产物选自沙柳液化产物、柠条液化产物、红柳液化产物、沙棘液化产物、乌柳液化产物中的一种或几种，优选沙柳液化产物。
5.根据权利要求1-4任一项所述的发泡材料，其特征在于，还包括1～2份的SiC纳米粒子。
6.根据权利要求5所述的发泡材料，其特征在于，还包括1.5份的SiC纳米粒子。
7.权利要求1-6任一项所述发泡材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将沙生灌木液化产物、催化剂、发泡剂和成核剂加入模具中，搅拌均匀，得混合物；
(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上，得到SiC和异氰酸酯的混合物；
(3)将异氰酸酯或步骤(2)所述的SiC和异氰酸酯的混合物加入步骤(1)所得的混合物中，快速搅拌均匀，在60-80℃下固化1.5-3h，即得。
8.根据权利要求7所述的发泡材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)将SiC纳米粒子加入到异氰酸酯中超声分散20min以上。
9.权利要求1-6任一项所述的发泡材料的应用。
10.利用权利要求1-6任一项所述的发泡材料制备的发泡复合材料。
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