CN105440650A - 一种聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺 - Google Patents

一种聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺。该复合材料由基材和粒子材料复合而成；所述基材为开孔型聚氨酯软泡；所述粒子材料选自半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡的一种或两种。本发明的生产工艺包括：1)将粒子材料粉碎、清洗后，用多元醇浸润；2)将多元醇浸润后粒子材料和发泡剂、异氰酸酯混合，按照开孔型聚氨酯软泡生产工艺，经发泡、切割、熟化和成型得到聚氨酯软泡复合材料。本发明生产工艺不改变原有设备、工艺流程和基础配方，简单易行，节约投资。制得的聚氨酯复合材料性质稳定，粒子材料与基材的相容性好，不易析出。

Description

一种聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺
技术领域
本发明涉及高分子材料技术领域，具体的说，涉及一种聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺。
背景技术
软质聚氨酯泡沫塑料(FlexiblePolyurethaneFoam，简称聚氨酯软泡)是指具有一定回弹性能的柔软性聚氨酯泡沫塑料，通常采用多异氰酸酯(如TDI、MDI、PAPI等)为主要原料，与聚醚、聚酯或其它多元醇等原料混合后反应得到的多孔性高分子材料。
软质聚氨酯泡沫塑料反应过程有三个特点：无需外部加热，可以通过反应自发热完成整个反应过程，原料混合后反应体系的温度迅速上升到70-150℃；反应速度快，2-4分钟内基本完成发泡定型；体积变化大，膨胀率可达20-50倍。原料混合后的发泡过程可以细分为四个基本过程：气泡成核(bubblenucleation)、气泡生长(bubblegrowth)、微相分离(microphaseseparation)和化学凝胶(polymerization)。其中前两个阶段决定了聚氨酯泡沫塑料的泡孔数目和孔径大小；微相分离决定了聚氨酯泡沫塑料的开孔率；化学凝胶决定了反应所形成的聚合物的网络结构，它和微相分离共同决定着制品的结构和制品的各种力学性能。
根据聚氨酯制品中泡孔的数量、泡孔结构和开孔率，可以把聚氨酯分为全开孔型、半开孔型和闭孔型。
全开孔型聚氨酯软泡俗称“海绵”，泡孔彼此通连，通常具有密度低、透气、吸音、保温、回弹性好等特点。主要用于家具、坐垫等垫材，也用于过滤材料、隔音材料、防震材料、装饰材料、包装材料及隔热材料等。密度通常小于35kg/m3。ILD(压入荷重变形)是表征发泡制品弹性的重要指标。对于同一种材料制成的海绵，密度和ILD呈正相关，开孔率与透气性呈正相关。开孔率越高，密度越小，ILD越小，而透气性越佳。
半开孔型聚氨酯软泡俗称“记忆棉”，泡孔并非完全通连而是仅有部分通连，通常具有黏弹性好、减震减压性强、受到静压力之后接触面会逐渐贴合施力面的形状，从而体现出较好的托举性和包容性。最突出的特点是受力后恢复形变速度较慢，所以又被称作慢回弹海绵。主要的缺点是透气性稍差，工艺条件较为严格，难以制备大尺寸的材料。密度通常在30-80kg/m3。
闭孔型聚氨酯软泡，又称为聚氨酯微孔弹性体，泡孔相互之间完全不通连，具有硬度高、回弹性好、耐热性好、动态性能优异、耐磨性和耐油性好等特点。在缓冲领域有着特殊的应用，例如用于生产汽车避震，民用鞋垫等。
为降低成本或改进开孔型聚氨酯基材的性能，有时会在开孔型聚氨酯的生产过程中添加回收料。一般是将海绵回收后粉碎，添加到生产原料中，再进行发泡。但如果向全开孔型聚氨酯软泡中添加粉碎后的半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡，往往会出现添加的材料分散不够均匀，添加的材料与开孔型聚氨酯基材结合不够紧密，影响开孔型聚氨酯基材的发泡效果等缺陷。
有研究指出，通过向聚氨酯中添加粘土、氧化铝、二氧化钛、二氧化硅等无机材料可以改进聚氨酯基材的性能，例如提高ILD，增强硬度等。但这些研究成果大多工艺比价复杂，会大大增加生产成本。
对于腰肌劳损、腰椎间盘突出、骨质酥松等症状的人群，如果睡在过于柔软的床上可能加重病情，最好睡硬板床。而中国老年人群也习惯睡硬板床。但是硬板床的缺点是，人体的重量由少量接触面来支撑，如果长期保持同一睡姿会导致人体受力部位感觉疼痛，甚至导致血液循环不畅。因此最好在硬床上增加一层软垫，提供弹性支撑扩大人体受力面积。
在气温较低的环境下，可以选择既能提供弹性支撑又能起到保暖效果的床垫，例如棉花或太空棉垫。但在气温较高的环境下，则应选择透气性导热性相对较好的床垫，例如开孔率较高的海绵垫。但由于开孔率高的海绵ILD小，如果厚度不够则可能起不到应有的支撑作用。如果通过增加厚度的方式来提高支撑力，又会导致透气性降低的缺点。
螨虫是一种肉眼不易看见的微型害虫，种类很多。至今前发现在居室内生活的螨虫有40余种，其中与人体健康有关的有十多种。最常见的有尘螨、粉螨、蠕螨、疥螨等。调查表明，成年人约有97％感染螨虫，其中以尘螨为主。尘螨的尸体、分泌物和排泄物都是可致病的过敏原。它们分布在地毯、沙发、毛绒玩具、被褥、坐垫、床垫和枕芯等处孳生，以人的汗液、分泌物、脱落的皮屑为食，繁殖速度极快。雌螨虫的直径一般在0.4mm左右，当环境温度适宜，湿度较大时寿命较长，而高温低湿则对其生存不利。家居织物防螨一般采用以下几种方法来抑制螨虫，其一是减少纤维孔径抑制螨虫通行，例如中国专利C201210496948.1(一种防螨虫被)；或者在材料中添加防螨药物，如中国专利201310357028.6(一种防螨虫粘胶纤维面料)；也有利用不同材料组成复合层状结构来杀灭螨虫，如中国专利201410810683.7(螨虫繁殖抑制片)。
由于全开孔型聚氨酯软泡的形态大多为筋络结构，且处于反复受力挤压和回弹的工作状态，材料形变较大，导致向材料中添加或者表面涂刷防螨药物会脱出或剥落。对于这个问题，目前没有较好的解决方案，一般是以聚氨酯软泡为内芯，在外部套一层具有防螨效果的外罩来解决。使用驱螨面料制作外套的缺点是，洗涤会导致外套的驱螨成分损失，从而导致驱螨效果的下降。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种质地均匀的聚氨酯软泡复合材料及其生产工艺。本发明在不改变企业现有生产设备以及生产工艺流程的情况下，将不同弹性模量的材料均匀混合形成一种性能稳定的聚氨酯软泡复合材料。
本发明具体方案介绍如下。
聚氨酯软泡复合材料由基材和添加于基材的粒子材料两种组分组成。所述基材可以是任何一种开孔型聚氨酯软泡；所述粒子材料可以是半开孔型聚氨酯软泡，也可以是闭孔型聚氨酯软泡。
本发明提供一种聚氨酯软泡复合材料，其由基材和粒子材料复合而成；所述基材为开孔型聚氨酯软泡；所述粒子材料选自半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡的一种或两种，其表面不含脱模剂和增塑剂；所述基材的平均孔径小于等于粒子材料最小直径的50％。
本发明中，上述粒子材料为含有防螨药物的半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡。
本发明还提供上述聚氨酯软泡复合材料的生产工艺，具体步骤如下：
(1)将粒子材料经粉碎后，与多元醇均匀混合，使多元醇充分浸润粒子表面，得到混合物；所述粒子材料为半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡的一种或两种，其表面不含脱模剂和增塑剂；
(2)将上述混合物和用于生产开孔型聚氨酯软泡的其它生产原料混合均匀，按照开孔型聚氨酯软泡生产工艺，经发泡、切割、熟化和成型得到开孔型聚氨酯软泡和粒子材料的复合材料，即本发明的聚氨酯软泡复合材料；其中：开孔型聚氨酯软泡的平均孔径小于等于粒子材料粉碎后最小直径的50％。
上述步骤(1)中，粒子材料粉碎后，还有进一步有机溶剂清洗的步骤，以确保获得表面不含脱模剂和增塑剂的粒子材料。如果聚氨酯软泡粒子表面带有脱模剂或增塑剂，会影响制成品的性能和寿命
上述步骤(1)中，多元醇和粒子材料的体积比为1：0.2-1：0.8，依粒子材料的密度和表面积的不同，以粒子材料表面恰好被多元醇完全浸润为宜；所述粒子材料和用于开孔型聚氨酯软泡生产工艺的生产原料的重量比为10:100～30：100。
上述步骤(1)中，所述粒子材料可以是含有防螨药物的半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡。
上述步骤(1)中，所述粒子材料包括半开孔型聚氨酯软泡时，多元醇浸润粒子的时间不宜超过10分钟避免浸润时间过长导致多元醇原料渗入聚氨酯软泡粒子内部。因为这部分渗入内部的多元醇无法参与发泡反应，会导致一系列不良后果。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.不改变生产基材的原有设备、工艺流程和基础配方，简单易行，节约投资。2.将粉碎后粒子材料先与多元醇均匀混合浸润再发泡，使得制备得到的聚氨酯复合材料性质稳定，粒子材料与基材(开孔型聚氨酯软泡)的相容性好，不易析出。
3.本发明将不同弹性模量的材料均匀混合所制得材料的物理性能用传统工艺无法得到，例如可以制得同时具有高抗压负荷度(ILD)和较好透气性的聚氨酯软泡材料，或者自身具有较强防螨效果的聚氨酯软泡材料，可以广泛用于制作床垫等家用垫材。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1半开孔型聚氨酯软泡粒子复合材料制备
步骤一，制备半开孔型聚氨酯软泡粒子
1.1按照工艺要求在A原料罐内放入聚醚多元醇、交联剂、催化剂、发泡稳定剂、开孔剂，将其充分搅拌混合均匀获得A料；
1.2按照工艺要求在B原料罐内放入聚醚多元醇、异氰酸酯，将其充分搅拌混合均匀获得B料；
1.3将A料与B料按照一比一的比例充分混合后注入发泡室；
1.4在50-90℃保温1-5h；
1.5从发泡室中取出发泡完成的半开孔型聚氨酯软泡，冷却到室温后粉碎为最大粒径2～6mm的粒子。粒子的粒径应以不堵塞步骤四所使用的高压聚氨酯发泡机的输料管道为宜。
步骤二，准备基材的生产原料
2.1按照成品密度为20-23kg/m3，平均孔径小于1mm的工艺要求，选择合适的基材配方；
2.2按照配方的要求称量并准备开孔型聚氨酯软泡的生产原料。包括多元醇、异氰酸酯、发泡剂等。
步骤三，浸润半开孔型聚氨酯软泡粒子
3.1按照步骤二所准备的生产原料总重量的10～20％，称量步骤一得到的闭孔型聚氨酯软泡粒子；
3.2从步骤2.2称量的多元醇中取出一定数量的多元醇，用于浸润聚氨酯软泡粒子。计量方式为：与上述步骤3.1所称量的聚氨酯软泡粒子的体积比约为1：(0.2-0.6)；
3.3计算开孔型聚氨酯软泡本次投料生产的时间，再按照所需投入的粒子材料的总重量，计算每5分钟需要投入小料桶的半开孔型聚氨酯软泡粒子和多元醇的重量。步骤四，发泡
4.1按照步骤3.3所计算的数量，每5分钟向小料桶间歇投入相应数量的粒子材料和多元醇，并均匀搅拌，使半开孔型聚氨酯软泡粒子的表面被多元醇完全浸润。也可采用连续投料的方式，只要确保粒子材料和多元醇进入溢流槽之前的混合时间小于10分钟即可；
4.2按照开孔型聚氨酯软泡的正常工艺，使用高压聚氨酯发泡机，混合所有原料及小料后，将混合后的原料均匀注入溢流槽；
4.3将完成发泡初步硬化的复合型聚氨酯软泡材料切割后，进行熟化。熟化所需的环境、熟化时间等工艺参数与原开孔型聚氨酯软泡材料的生产工艺相同。
步骤五，成型。将熟化完成的复合型聚氨酯软泡材料按照工艺要求切割成相应的形状，用于制成床垫、枕芯等。
实施例2含螨虫抑制成分的复合材料制备
步骤一，制备含螨虫抑制成分的粒子材料
1.1按照工艺要求在A原料罐内放入聚醚多元醇、交联剂、催化剂、发泡稳定剂、开孔剂，将其充分搅拌混合均匀获得A料；
1.2按照工艺要求在B原料罐内放入聚醚多元醇、异氰酸酯，邻苯二甲酸二甲酯，将其充分搅拌混合均匀获得B料；其中邻苯二甲酸二甲酯选用上海金山经纬化工有限公司的工业级产品；
1.3将A料与B料按照一比一的比例充分混合后注入发泡室；
1.4在50-70℃保温1-5h；
1.5从发泡室中取出发泡完成的半开孔型聚氨酯软泡，冷却到室温后粉碎为最大粒径2～6mm的粒子。粒子的粒径应以不堵塞步骤四所使用的高压聚氨酯发泡机的输料管道为宜。
步骤二至步骤五同实施例1。
实施例3闭孔型聚氨酯软泡粒子复合材料制备
步骤一，利用回收料制备闭孔型聚氨酯软泡粒子
1.1将回收的闭孔型聚氨酯软泡粉碎，制得最大粒径2～3mm的粒子。粒子的粒径应以不堵塞步骤四所使用的高压聚氨酯发泡机的输料管道为宜；
1.2用有机溶剂对所述闭孔型聚氨酯软泡粒子进行浸泡并搅拌，清洗表面残留的灰尘、脱模剂、增塑剂等，清洗时间30～60分钟；
1.3将所述闭孔型聚氨酯软泡粒子与有机溶剂分离，并使表面残留的有机溶剂完全挥发。步骤二，准备基材的生产原料
2.1按照成品密度为25-28kg/m3，平均孔径小于1mm的工艺要求，选择合适的基材配方；
2.2按照配方的要求称量并准备开孔型聚氨酯软泡的生产原料。包括多元醇、异氰酸酯、发泡剂等。
步骤三，浸润闭孔型聚氨酯软泡粒子
3.1称量步骤一得到的闭孔型聚氨酯软泡粒子，重量为步骤二所准备的生产原料总重量的10～30％。即闭孔型聚氨酯软泡粒子与步骤二所准备的生产原料的总重量比为(10～30)：100；
3.2从步骤2.2称量的多元醇中，按照粒子材料的体积：多元醇的体积约为1：(0.5～0.8)的比例，取出相应数量的多元醇；
3.3将步骤3.2取出的多元醇与粒子材料充分混合5-～10分钟。
第四步，发泡，生产复合型聚氨酯软泡材料
4.1将步骤3.3所得到的闭孔型聚氨酯软泡粒子和多元醇的混合物加入小料桶，并且在发泡反应过程中保持搅拌，使闭孔型聚氨酯软泡粒子和多元醇保持均匀混合的状态；
4.2按照开孔型聚氨酯软泡的正常工艺，使用高压聚氨酯发泡机，混合所有原料及小料后，将混合后的原料均匀注入溢流槽；
4.3将完成发泡的复合型聚氨酯软泡材料切割后，进行熟化。熟化所需的环境、熟化时间等工艺参数与原开孔型聚氨酯软泡材料的生产工艺相同。
第五步，成型。将熟化完成的复合型聚氨酯软泡材料按照工艺要求切割成相应的形状，用于制成床垫、枕芯等。
性能测试实验例1
抑制螨虫效果实验
按照FZ/T62012-2009附录B所述的实验方法，以实施例1所选用的基材(按照实施例1复合材料制备工艺中相同的原料投料比、反应条件进行反应得到，原料里不包括粒子材料)，以及实施例1-2所得到的复合型聚氨酯材料为实验样品，以新华1号色层分析滤纸为空白对照组。实验测得实验样品的驱螨率见表1。
表1
实施例1的基材 实施例1 实施例2
驱螨率 18.5±5.3％ 13.6±9.1％ 38.7±6.9％
表1结果说明实施例2得到的复合型聚氨酯材料具有一定的驱螨效果。由于复合材料本身具有驱螨效果，用此种材料制成床垫或枕头等居家用品的外套用普通材料制作即可，不需要使用驱螨面料。使用驱螨面料制作外套的缺点是，洗涤会导致外套的驱螨成分损失，从而导致驱螨效果的下降。本材料则克服了这个缺点。同时，驱螨的化学成分仅存在于粒子材料中，粒子材料被紧密包裹在基材中，减少了驱螨成分接触人体的可能性。
性能测试实验例2
复合材料提升抗压负荷度(ILD)性能对比
将实施例1所用于生产复合材料的基材(按照实施例1复合材料制备工艺中相同的原料投料比、反应条件进行反应得到，原料里不包括粒子材料)和添加粒子材料之后的复合材料在平均温度21-32℃的环境下熟化10天后，测得ILD性能如表2所示。
表2
密度 ILD(压缩25％) ILD(压缩45％) ILD(压缩65％)
基材 22.3kg/m3 98.1N 130.0N 256.N
复合材料 31.6kg/m3 124.3N 163.1N 296.7N
从测试数据可以看出，复合材料的的ILD较未添加粒子材料的基材有较大的提高。
性能测试实验例3
材料稳定性测试
从实施例1和实施例3所得到的制品，切割成长宽高均为20cm的测试样品。采用常州三丰检测仪器有限公司生产的WDW-05型万能试验机，进行单向受力压缩测试。最大压缩力500N，最大压缩比50％，受力频率1次/秒。测试样品的6个平面，每个平面受力测试的次数10000次。
测试样品在测试前后的主要性能见表3。
表3
从测试数据可知，测试前后的主要物理指标没有显著变化。且测试样品表面的粒子材料也没有脱落。表明材料的性能稳定，且基材与粒子材料的融合性较好。

Claims (7)

1.一种聚氨酯软泡复合材料，其特征在于，其由基材和粒子材料复合而成；所述基材为开孔型聚氨酯软泡；所述粒子材料选自半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡的一种或两种，其表面不含脱模剂和增塑剂；所述基材的平均孔径小于等于粒子材料最小直径的50％。
2.如权利要求1所述的聚氨酯软泡复合材料，其特征在于，所述粒子材料为含有防螨药物的半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡。
3.一种聚氨酯软泡复合材料的生产工艺，其特征在于，具体步骤如下：
(1)将粒子材料粉碎后，与多元醇均匀混合，使多元醇充分浸润粒子表面，得到混合物；所述粒子材料为半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡的一种或两种，其表面不含脱模剂和增塑剂；
(2)将上述混合物和用于生产开孔型聚氨酯软泡的其它生产原料混合均匀，按照开孔型聚氨酯软泡生产工艺，经发泡、切割、熟化和成型得到开孔型聚氨酯软泡和粒子材料的复合材料，即本发明的聚氨酯软泡复合材料；其中：开孔型聚氨酯软泡的平均孔径小于等于粒子材料粉碎后最小直径的50％。
4.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于：步骤(1)中，粒子材料粉碎后，还有进一步有机溶剂清洗的步骤，以确保获得表面不含脱模剂和增塑剂的粒子材料。
5.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，步骤(1)中，多元醇和粒子材料的体积比为1：0.2～1：0.8；所述粒子材料和用于开孔型聚氨酯软泡生产工艺的生产原料的重量比为10：100～30：100。
6.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述粒子材料为含有防螨药物的半开孔型聚氨酯软泡或闭孔型聚氨酯软泡。
7.根据权利要求3所述的生产工艺，其特征在于：步骤(1)中，所述粒子材料包括半开孔型聚氨酯软泡时，多元醇浸润粒子的时间不超过10分钟。
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