CN104610528A - 一种硬质聚氨酯泡沫及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硬质聚氨酯泡沫及其制备方法，将100重量份超支化聚氨酯多元醇；1～10重量份水；1～10重量份泡沫稳定剂预混后加入100～250重量份有机异氰酸酯或改性异氰酸酯于30～100℃温度下固化12小时到3天，得到所述硬质聚氨酯泡沫，其中，所述超支化聚氨酯多元醇制备方法包括以下步骤：多羟基化合物与二异氰酸酯单体反应得到第一代超支化预聚物；以第一代超支化预聚物的异氰酸酯基团含量为标准，再次加入多羟基化合物，反应得到所述超支化聚氨酯多元醇。本发明制得的硬质聚氨酯泡沫强度高、耐温性好、尺寸稳定性好、导热系数低，可用于绝热保温、缝隙填补支撑、仿木材料等领域。

Description

一种硬质聚氨酯泡沫及其制备方法
技术领域
本发明涉及聚氨酯泡沫制备领域，特别是涉及一种超支化聚氨酯多元醇作为组分之一的制备硬质聚氨酯泡沫的方法。
背景技术
聚氨酯泡沫通常有三种制备方法，即预聚体法、半预聚体法和一步法。预聚体法由异氰酸酯和多元醇(聚醚或聚酯多元醇)反应生成预聚体，然后在预聚体中加入水及(预聚体)催化剂、表面活性剂等，使水和异氰酸酯基进行反应，在发泡的同时进行链增长(有时有部分交联反应)，形成高分子化合物。该法涉及反应简单，但工艺复杂。半预聚体法是将一部分聚醚或聚酯多元醇和配方中全部异氰酸酯进行反应，形成末端带有异氰酸酯的低聚物和大量未反应游离异氰酸酯的预聚体混合物，该混合物再和剩余部分的聚醚或聚酯多元醇、水、催化剂和表面活性剂混合进行发泡。其持点是可以调节发泡体系中的物料粘度。一步法发泡即是将聚醚或聚酯多元醇、多异氰酸酯、水以及其它助剂如催化剂、泡沫稳定剂等一次加入，使链增长、气体发生及交联等反应在短时间内几乎同时进行，在物料混合均匀后几分钟内发泡完毕并得到具有较高分子量并有一定交联密度的泡沫制品。要得到泡沫孔径均匀和性能优良的泡沫体，必须控制合适的条件，使这三种反应得到较好的协调。该法的特点是工艺较简单。
制备聚氨酯泡沫体既可以用水与异氰酸酯反应生成脲放出二氧化碳作发泡气体来源，即CO2气体起发泡剂作用，也可以利用多元醇或其它活性氢化合物和异氰酸能反应的大量反应热使物理发泡剂汽化而作为发泡气体来源，物理发泡剂不参与聚氨酯化学反应，也不像其它塑料用发泡剂那样在加热到一定温度时发生化学分解反应、产生气体而发泡。主要有氯氟烃类(CFC)、氢氯氟烃类(HCFC)、氢氟烃类(HFC)、烷烃类等。但上述物理发泡剂均具有一定的缺陷，诸如环境问题、易燃性、溶解性等。这两种发泡方法可根据制品性能和不同发泡工艺要求而定，也有采用两种方法并用的。前者由于分子链中生成脲基，可以提高泡沫体的强度和刚度。发泡中产生的气体越多、泡沫制品的密度越小，因而可以通过调节异氰酸酯和水的用量或物理发泡剂的用量来控制泡沫制品的不同密度。
根据工业的不同需要，可以使用不同羟基官能团数的聚醚或聚酯多元醇和多异氰酸酯反应，生成不同交联密度的网状高分子材料，从而获得不同软硬的泡沫塑料。一般来说.交联密度越大，泡沫塑料越硬。例如采用三官能团聚醚即可和多异氰酸酯形成一定交联度的网状结构。
聚氨酯泡沫塑料所用的多元醇品种很多，主要有聚醚及聚酯两大类，除了通用聚氧化烯烃类聚醚多元醇及己二酸聚酯多元醇以外，还发展了内酯型聚酯、接枝聚合物多元醇、高活性聚醚、亲水性聚醚以及各种含卤素含磷阻燃型多元醇等特种性能多元醇。这些多元醇的分子量及羟基官能团数也各有不同根据制造泡沫塑料性能的需要加以选用，也可以根据要求加以合成。一般说来，凡硬质泡沫塑料所采用的多元醇大都是官能团多、羟值高、分子量较低的聚醚(或聚酯)多元醇。它和多异氰酸酯反应后，其分子中网状结构多(即交联点多且稠密)，所得泡沫塑料硬度大、压缩强度较高、尺寸稳定性及耐温性也较好。反之，软质泡沫塑料如需要制品具备较好的柔软件和弹性，则常采用官能团较少、羟值较低、分子量较高的多元醇。如相对分子质量为2000的二官能团、相对分子质量为3000的三官能团聚醚或聚酯多元醇等，这样所形成的聚氨酯分子中交联点之间的平均相对分子质量在1000左右。而硬质泡沫塑料需要多元醇的羟基官能度在3～8，平均相对分于质量大约在400～800之间.其羟值当量约在100左右(羟值当量＝相对分子质量/羟基官能度)，这样形成的聚氨酯分子中的交联点之间的平均相对分子质量在100～150之间。通常采用交联多元醇来增加交联密度，形成具有适当强度和硬度的硬质聚氨酯泡沫。
然而，交联多元醇通常具有较高的粘度，会显著提高多元醇组分的粘度，使其本身难以与低粘度异氰酸酯混合均匀，生成不均一的硬质泡沫。已有采用低粘度液态挥发性有机化合物来降低粘度，但是这会导致挥发性有机化合物在制备泡沫过程中散发出来。
聚醚或聚酯多元醇与异氰酸酯的反应速度随其结构不同而各异，其中伯羟基反应最快，仲羟基次之，叔羟基最慢。这主要是由于多元醇中活性氢原子转移难易程度不同的缘故。
综上所述，为解决上述一个或多个问题，利用超支化聚合物具有独特的分子结构，易溶解，分子链不易缠结，溶液粘度低，且含有大量末端基团等特点，制备超支化聚氨酯多元醇用于制得综合性能优异的硬质聚氨酯泡沫。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硬质聚氨酯泡沫，采用一步法，以水为发泡剂，通过采用官能团多、羟值高、分子量可控、粘度低、反应速率适中的超支化聚氨酯多元醇，所得硬质聚氨酯泡沫具有强度高、耐温性好、尺寸稳定性好、导热系数低等特点，可用于绝热保温、缝隙填补支撑、仿木材料等领域。
为达上述目的，本发明通过下述技术方案实现：
一种硬质聚氨酯泡沫，其包括以下重量百分比的组分制备而成：
超支化聚氨酯多元醇：100重量份
水：1～10重量份
泡沫稳定剂：1～10重量份
有机异氰酸酯或改性异氰酸酯：100～250重量份。
本发明中，所述超支化聚氨酯多元醇固含量为65～75％，粘度为800～1200mPa·s。本发明中，所述超支化聚氨酯多元醇制备方法包括以下步骤：
第一步：多羟基化合物与二异氰酸酯单体的摩尔比为1∶3～1∶6，催化剂用量为反应物总质量的0～0.3％，于25～100℃温度下，在非质子溶剂中反应30分钟至12小时，得到第一代超支化预聚物；
第二步，以第一代超支化预聚物的异氰酸酯基团含量为标准，加入多羟基化合物，其中异氰酸酯基团与羟基摩尔比为1∶3～1∶9，于25～100℃温度下，在非质子溶剂中继续反应60分钟至24小时，得到所述超支化聚氨酯多元醇。
本发明中，所述二异氰酸酯单体选自异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或甲基环己基二异氰酸酯。
本发明中，所述多羟基化合物选自聚乙二醇、聚丙二醇、三羟甲基丙烷、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、季戊四醇或甘油。
本发明中，所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、钛酸丁酯或有机铋催化剂。
本发明中，所述非质子溶剂选自丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氯化碳、四氢呋喃或二甲基亚砜。
本发明中，所述有机异氰酸酯或所述改性异氰酸酯选自异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯。
本发明中，所述泡沫稳定剂为有机硅氧烷。
本发明中，将所述超支化聚氨酯多元醇、所述水、所述泡沫稳定剂预混后加入所述有机异氰酸酯或所述改性异氰酸酯于30～100℃温度下固化12小时到3天，得到所述硬质聚氨酯泡沫。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：采用一步法制备硬质聚氨酯泡沫，工艺简单，可操作性强；以水为发泡剂，生成了脲基，提高了硬质聚氨酯泡沫的强度，同时具有环保性；通过采用官能团多、羟值高、分子量可控、粘度低、反应速率适中的超支化聚氨酯多元醇，所得硬质聚氨酯泡沫具有强度高、耐温性好、尺寸稳定性好、导热系数低等特点，可用于绝热保温、缝隙填补支撑、仿木材料等领域。
中国专利CN201410071866公开了一种高强度硬质聚氨酯泡沫材料，通过采用聚醚多元醇和聚酯多元醇混合物，加入复合增强材料，得到了强度、尺寸稳定性等全面改善的硬质聚氨酯泡沫材料；中国专利CN00806197公布了用于制备硬质聚氨酯泡沫的多羟基化合物的混合物，所得硬质聚氨酯泡沫具有优异的绝热性能；中国专利CN200610022686公布了一种耐热性和压缩强度较高的硬质聚氨酯泡沫，通过优选催化剂、发泡剂及发泡工艺得到综合性能良好的制品。与以上技术相比，本发明采用超支化聚氨酯多元醇所制得硬质聚氨酯泡沫在兼顾各项性能的同时，具有更高的压缩强度，更优异的耐热性能。
具体实施方式
以下结合实施例，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
首先将6.7重量份三羟甲基丙烷和33.3重量份异佛尔酮二异氰酸酯加入三口烧瓶中，再加入0.05重量份有机铋催化剂(BiCAT 8108，美国领先)，于80℃下在40重量份N,N-二甲基甲酰胺中反应1小时；然后加入60重量份三羟甲基丙烷继续反应3小时，得到超支化聚氨酯多元醇，固含量为71％，粘度为1100mPa·s。
在30℃下，将100重量份超支化聚氨酯多元醇、8.5重量份水、4重量份有机硅氧烷(B8433，德固赛)加入自制模具中搅拌30秒，混合均匀后迅速加入180重量份多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PM-200，烟台万华)，搅拌3分钟后，放入60℃烘箱中固化24小时后制得所述硬质聚氨酯泡沫。
对硬质聚氨酯泡沫进行了性能测试，结果如表1。
表1 数据如下：
实施例2
首先将6.7重量份三羟甲基丙烷和40重量份异佛尔酮二异氰酸酯加入三口烧瓶中，再加入0.10重量份二月桂酸二丁基锡，于80℃下在40重量份N,N-二甲基甲酰胺中反应2小时；然后加入40份三羟甲基丙烷继续反应4小时，得到超支化聚氨酯多元醇，固含量为68％，粘度为960mPa·s。
在30℃下，将100重量份超支化聚氨酯多元醇、8.5重量份水、2.8重量份有机硅氧烷(AK8805，德美世创)加入自制模具中搅拌30秒，混合均匀后迅速加入140重量份多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PM-200，烟台万华)，搅拌3分钟后，放入40℃烘箱中固化48小时后制得所述硬质聚氨酯泡沫。
对硬质聚氨酯泡沫进行了性能测试，结果如表2。
表2 数据如下：
实施例3
首先将6.7重量份三羟甲基丙烷和50重量份异佛尔酮二异氰酸酯加入三口烧瓶中，再加入0.15重量份有机铋催化剂(BiCAT 8118，美国领先)，于60℃下在40重量份N,N-二甲基甲酰胺中反应2小时；然后加入45重量份三羟甲基丙烷继续反应4小时，得到超支化聚氨酯多元醇，固含量为70％，粘度为1050mPa·s。
在30℃下，将100重量份超支化聚氨酯多元醇、8.5重量份水、4重量份有机硅氧烷(B8450，德固赛)加入自制模具中搅拌30秒，混合均匀后迅速加入240重量份多亚甲基多苯基多异氰酸酯(5005，Huntsman)，搅拌3分钟后，放入80℃烘箱中固化12小时后制得所述硬质聚氨酯泡沫。
对硬质聚氨酯泡沫进行了性能测试，结果如表3。
表3 数据如下：
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种硬质聚氨酯泡沫，其特征在于其包括以下重量百分比的组分制备而成：
超支化聚氨酯多元醇：100重量份；
水：1～10重量份；
泡沫稳定剂：1～10重量份；
有机异氰酸酯或改性异氰酸酯：100～250重量份。
2.根据权利要求1所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述超支化聚氨酯多元醇固含量为65～75％，粘度为800～1200mPa·s。
3.根据权利要求2所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述超支化聚氨酯多元醇制备方法包括以下步骤：
第一步：多羟基化合物与二异氰酸酯单体的摩尔比为1∶3～1∶5，催化剂用量为反应物总质量的0～0.3％，于25～100℃温度下，在非质子溶剂中反应30分钟至12小时，得到第一代超支化预聚物；
第二步，以第一代超支化预聚物的异氰酸酯基团含量为标准，加入多羟基化合物，其中异氰酸酯基团与羟基摩尔比为1∶3～1∶9，于25～100℃温度下，在非质子溶剂中继续反应60分钟至24小时，得到所述超支化聚氨酯多元醇。
4.根据权利要求3所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述二异氰酸酯单体选自异佛尔酮二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或甲基环己基二异氰酸酯。
5.根据权利要求3所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述多羟基化合物选自聚乙二醇、聚丙二醇、三羟甲基丙烷、1,4-丁二醇、1,6-己二醇、季戊四醇或甘油。
6.根据权利要求3所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述催化剂选自二月桂酸二丁基锡、辛酸亚锡、钛酸丁酯或有机铋催化剂。
7.根据权利要求3所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述非质子溶剂选自丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、N-甲基-2-吡咯烷酮、四氯化碳、四氢呋喃或二甲基亚砜。
8.根据权利要求1所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述有机异氰酸酯或所述改性异氰酸酯选自异佛尔酮二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、4,4’-二环己基甲烷二异氰酸酯或六亚甲基二异氰酸酯。
9.根据权利要求1所述的硬质聚氨酯泡沫，其特征在于：所述泡沫稳定剂为有机硅氧烷。
10.一种制备如权利要求1-9中任一项所述硬质聚氨酯泡沫的方法，其特征在于：将所述超支化聚氨酯多元醇、所述水、所述泡沫稳定剂预混后加入所述有机异氰酸酯或所述改性异氰酸酯于30～100℃温度下固化12小时到3天，得到所述硬质聚氨酯泡沫。
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