CN108070071B - 一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法。所述聚氨酯记忆泡沫材料包括如下质量份数的原料组分：40‑60份二异氰酸酯、90‑110份聚多元醇、10‑15份扩链剂、5‑10份碳纤维、1.5‑3份发泡剂、1‑2份匀泡剂、0.5‑1份开孔剂和0.3‑1份催化剂；其中，聚多元醇包括数均分子量分别为800‑1500的低分子量聚多元醇、3000‑5000的中分子量聚多元醇和8000‑12000的高分子量聚多元醇。所述聚氨酯记忆泡沫材料是通过一步法聚合发泡，最后熟化的方法制备得到。本发明提供的聚氨酯记忆泡沫材料强度较高，具有与人体温接近的玻璃化转变温度，且形状回复率高，特别适用于床垫材料。

Description

一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法
技术领域
本发明属于形状记忆聚氨酯材料技术领域，具体涉及一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法。
背景技术
形状记忆聚合物一般指具有初始形状的制品在一定条件下改变其初始形状并固定后，经外界条件(如热、电、光、化学感应等)的刺激又可恢复其初始形状的聚合物材料。按其回复原理可分为热致型形状记忆聚合物、电致型形状记忆聚合物、光致型形状记忆聚合物、化学感应型形状记忆聚合物等。形状记忆聚合物作为一类极其重要的形状记忆材料在航天航空、生物医学、电力电子、包装、智能控制系统等领域具有广泛的应用。其中，形状记忆聚合物泡沫作为一类新开发的形状记忆聚合物材料，特别是在近些年来已取得了显著的进展。
形状记忆聚氨酯泡沫材料(聚氨酯记忆泡沫材料)是在形状记忆聚氨酯树脂的研究基础上，制得的具有形状记忆功能的泡沫结构材料。泡沫材料大大提高了形状记忆聚氨酯树脂的比模量及记忆性能，无论从形状恢复程度、形状恢复速率和形状恢复力上，形状记忆泡沫材料都表现出了比普通形状记忆树脂更好的性能。自日本率先研制出第一款形状记忆聚氨酯泡沫材料之后的数十年中，形状记忆聚氨酯泡沫材料普遍采用异氰酸酯、多元醇、催化剂、水和泡沫稳定剂混合发泡的方式合成制得。
虽然不同聚氨酯记忆泡沫材料的制备原料均类似，但是不同用途的聚氨酯记忆泡沫材料往往对其性质有不同要求。聚氨酯记忆泡沫材料的特殊性质与其相分离程度、玻璃化转变温度、异氰酸酯指数、软段的分子量等因素密切相关，因此需要进行严格控制才能满足实际需要。
针对床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，由于其需要承受人体的重量，因此需要具有更高的强度；具有与人体温接近的玻璃化转变温度，使其在使用温度下既能发生粘性形变，又能发生弹性形变，在撤去外力后具有较高的恢复能力；此外，由于其与人体接触，因此还需要具有细腻湿润的触感，提高人体舒适度。而现有的聚氨酯记忆泡沫材料往往难以同时满足上述需求，因此亟待开发一种新的聚氨酯记忆泡沫材料，以满足床垫用品的要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料及其制备方法。该聚氨酯记忆泡沫材料强度较高，能够支撑人体重量，具有与人体温接近的玻璃化转变温度，形状回复率高，特别适用于床垫材料。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
40-60份(例如40份、42份、43份、45份、46份、48份、50份、52份、53份、55份、56份、58份或60份等)二异氰酸酯、90-110份(例如90份、92份、93份、95份、96份、98份、100份、102份、103份、105份、106份、108份或110份等)聚多元醇、10-15份(例如10份、11份、12份、13份、14份或15份等)扩链剂、20-30份(例如20份、21份、22份、23份、24份、25份、26份、27份、28份、29份或30份等)碳纤维、1.5-3份(例如1.5份、1.6份、1.8份、2份、2.2份、2.3份、2.5份、2.6份、2.8份或3份等)发泡剂、1-2份(例如1份、1.2份、1.3份、1.5份、1.6份、1.8份或2份等)匀泡剂、0.5-1份(例如0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份等)开孔剂和0.3-1份(例如0.3份、0.4份、0.5份、0.6份、0.7份、0.8份、0.9份或1份等)催化剂；
所述聚多元醇包括数均分子量分别为800-1500(例如800、900、1000、1100、1200、1300、1400或1500等)的低分子量聚多元醇、3000-5000(例如3000、3200、3300、3500、3600、3800、4000、4200、4300、4500、4600、4800或5000等)的中分子量聚多元醇和8000-12000(例如8000、8500、9000、9500、10000、11000或12000等)的高分子量聚多元醇。
聚氨酯记忆泡沫材料通常需要使用专用的聚多元醇材料才能制得。本发明中高分子量的聚多元醇提供橡胶态的弹性和形状恢复能力，低分子量的聚多元醇提供玻璃态的强度和刚性，中分子量的聚多元醇兼具二者的性质，采用高、中、低三种不同分子量的聚多元醇相互配合，使聚氨酯记忆泡沫材料具有单一且较宽的玻璃化转变温度(Tg)峰(动态粘弹谱图)，且玻璃化转变温度与人体温接近，在使用温度下表现出粘性形变和弹性形变的双重特性。另外，本发明通过采用碳纤维对聚氨酯记忆泡沫材料进行填充改性，在不明显改变表观密度的情况下提高了其抗压强度，且碳纤维也具有提高玻璃化转变温度的作用。
作为本发明的优选技术方案，所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)或碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯。
碳化二亚胺改性的二异氰酸酯不仅方便使用，而且还可改善聚氨酯制品的耐水解性和阻燃性，适用于制备聚氨酯泡沫材料。
作为本发明的优选技术方案，所述低分子量聚多元醇为聚氧化丙烯多元醇。
优选地，所述中分子量聚多元醇为聚己内酯多元醇。
优选地，所述高分子量聚多元醇为聚氧化乙烯多元醇。
作为本发明的优选技术方案，所述聚多元醇由20-30wt％(例如20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％等)的数均分子量为800-1500的聚氧化丙烯多元醇、40-60wt％(例如40wt％、42wt％、43wt％、45wt％、46wt％、48wt％、50wt％、52wt％、53wt％、55wt％、56wt％、58wt％或60wt％等)的数均分子量为3000-5000的聚己内酯多元醇和20-30wt％(例如20wt％、21wt％、22wt％、23wt％、24wt％、25wt％、26wt％、27wt％、28wt％、29wt％或30wt％等)的数均分子量为8000-12000的聚氧化乙烯多元醇组成。
聚氧化丙烯多元醇具有较低的表面张力，便于聚氨酯记忆泡沫材料形成开孔，但手感粗糙；聚己内酯多元醇具有较高的强度和玻璃化转变温度；聚氧化乙烯多元醇手感细腻湿润，但容易形成闭孔。本发明采用上述三种不同分子量的聚多元醇在特定的比例下配合，有助于改善聚氨酯记忆泡沫材料的手感，提高玻璃化转变温度，进一步改善其恢复能力。
优选地，所述聚多元醇的平均官能度为2.5-4；例如可以是2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3、3.2、3.3、3.5、3.8或4等。
聚氨酯泡沫材料需要形成交联才能具有足够的强度，表现出橡胶的弹性。但交联度过高容易使材料变硬，丧失柔软的触感；交联度过低则材料强度不足，变形后恢复能力较差。因此，本发明中聚多元醇的平均官能度优选为2.5-4。
作为本发明的优选技术方案，所述扩链剂选自乙二醇、1,3-丙二醇或1,4-丁二醇中的一种或至少两种的组合；所述组合典型但非限制性实例有乙二醇与1,3-丙二醇的组合、乙二醇与1,4-丁二醇的组合、1,3-丙二醇与1,4-丁二醇的组合等。
优选地，所述碳纤维的长径比为20-50:1；例如可以是20:1、22:1、25:1、28:1、30:1、32:1、35:1、38:1、40:1、42:1、45:1、48:1或50:1等。
作为本发明的优选技术方案，所述发泡剂为水。
优选地，所述匀泡剂为聚醚改性有机硅氧烷。
作为本发明的优选技术方案，所述开孔剂为韩国SKC公司的Y-1030。
优选地，所述催化剂选自N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚或四甲基亚烷基二胺中的一种或至少两种的组合。
另一方面，本发明提供一种上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂搅拌混合；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫熟化，得到所述聚氨酯记忆泡沫材料。
作为本发明的优选技术方案，步骤(1)中所述搅拌的速率为100-300r/min，例如可以是100r/min、120r/min、150r/min、180r/min、200r/min、220r/min、250r/min、280r/min或300r/min等；时间为0.5-2h，例如可以是0.5h、0.8h、1h、1.2h、1.5h、1.8h或2h等。
优选地，步骤(2)中所述搅拌的速率为500-1000r/min，例如可以是500r/min、600r/min、700r/min、800r/min、900r/min或1000r/min等；时间为10-20s，例如可以是10s、11s、12s、13s、14s、15s、16s、17s、18s、19s或20s等。
优选地，步骤(2)中所述反应的温度为80-90℃，例如可以是80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、85℃、86℃、87℃、88℃、89℃或90℃等；时间为3-6h，例如可以是3h、3.2h、3.5h、3.8h、4h、4.2h、4.5h、4.8h、5h、5.2h、5.5h、5.8h或6h等。
优选地，步骤(3)中所述熟化的温度为20-30℃，例如可以是20℃、21℃、22℃、23℃、24℃、25℃、26℃、27℃、28℃、29℃或30℃等；时间为12-24h，例如可以是12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h或24h等。
作为本发明的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在100-300r/min的搅拌速率下混合0.5-2h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在500-1000r/min的搅拌速率下混合10-20s，然后在80-90℃下静置反应发泡3-6h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在20-30℃下熟化12-24h，得到所述聚氨酯记忆泡沫材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过选择专用的聚多元醇与其他原料配合，并采用碳纤维改性，从而使得到的聚氨酯记忆泡沫材料具有较高的强度，与人体温接近的玻璃化转变温度，较高的形状回复率，特别适用于床垫材料。
本发明提供的聚氨酯记忆泡沫材料的表观密度为28-33kg/m3，玻璃化转变温度为30-35℃，50％压缩量下压缩强度为0.15-0.25MPa，形变回复率≥99.5％，形变复原时间为4-6s。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
下述实施例和对比例中所用的聚氧化丙烯多元醇、聚己内酯多元醇和聚氧化乙烯多元醇的官能度均为3，碳纤维长径比为30:1，开孔剂为韩国SKC公司的Y-1030。
实施例1
一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
40份二异氰酸酯(碳化二亚胺改性MDI)、110份聚多元醇、10份扩链剂(乙二醇)、30份碳纤维、1.5份发泡剂(水)、2份匀泡剂(聚醚改性有机硅氧烷)、0.5份开孔剂(Y-1030)和1份催化剂(N,N-二甲基环己胺)；
其中，聚多元醇由20wt％的数均分子量为800的聚氧化丙烯多元醇、60wt％的数均分子量为3000的聚己内酯多元醇、20wt％的数均分子量为8000的聚氧化乙烯多元醇组成。
上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法如下：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在100r/min的搅拌速率下混合2h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在500r/min的搅拌速率下混合20s，然后在80℃下静置反应发泡6h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在20℃下熟化24h，得到上述聚氨酯记忆泡沫材料。
实施例2
一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
60份二异氰酸酯(TDI)、90份聚多元醇、15份扩链剂(1,3-丙二醇)、20份碳纤维、3份发泡剂(水)、1份匀泡剂(聚醚改性有机硅氧烷)、1份开孔剂(Y-1030)和0.3份催化剂(双(2-二甲氨基乙基)醚)；
其中，聚多元醇由30wt％的数均分子量为1500的聚氧化丙烯多元醇、40wt％的数均分子量为5000的聚己内酯多元醇和30wt％的数均分子量为12000的聚氧化乙烯多元醇组成。
上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法如下：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在300r/min的搅拌速率下混合0.5h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在1000r/min的搅拌速率下混合10s，然后在90℃下静置反应发泡3h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在30℃下熟化12h，得到上述聚氨酯记忆泡沫材料。
实施例3
一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
45份二异氰酸酯(MDI)、105份聚多元醇、12份扩链剂(1,4-丁二醇)、28份碳纤维、1.8份发泡剂(水)、1.6份匀泡剂(聚醚改性有机硅氧烷)、0.8份开孔剂(Y-1030)和0.5份催化剂(四甲基亚烷基二胺)；
其中，聚多元醇由25wt％的数均分子量为1200的聚氧化丙烯多元醇、50wt％的数均分子量为4000的聚己内酯多元醇和25wt％的数均分子量为10000的聚氧化乙烯多元醇组成。
上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法如下：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在200r/min的搅拌速率下混合1h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在800r/min的搅拌速率下混合15s，然后在85℃下静置反应发泡5h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在25℃下熟化18h，得到上述聚氨酯记忆泡沫材料。
实施例4
一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
50份二异氰酸酯(碳化二亚胺改性MDI)、100份聚多元醇、13份扩链剂(乙二醇)、25份碳纤维、2份发泡剂(水)、1.5份匀泡剂(聚醚改性有机硅氧烷)、0.6份开孔剂(Y-1030)和0.6份催化剂(N,N-二甲基环己胺)；
其中，聚多元醇由25wt％的数均分子量为1200的聚氧化丙烯多元醇、45wt％的数均分子量为4000的聚己内酯多元醇和30wt％的数均分子量为10000的聚氧化乙烯多元醇组成。
上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法如下：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在200r/min的搅拌速率下混合1h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在800r/min的搅拌速率下混合15s，然后在85℃下静置反应发泡5h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在25℃下熟化24h，得到上述聚氨酯记忆泡沫材料。
实施例5
一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，包括如下质量份数的原料组分：
55份二异氰酸酯(碳化二亚胺改性MDI)、95份聚多元醇、13份扩链剂(1,4-丁二醇)、23份碳纤维、2.5份发泡剂(水)、1.2份匀泡剂(聚醚改性有机硅氧烷)、0.8份开孔剂(Y-1030)和0.5份催化剂(四甲基亚烷基二胺)；
其中，聚多元醇由22wt％的数均分子量为1200的聚氧化丙烯多元醇、55wt％的数均分子量为4000的聚己内酯多元醇和23wt％的数均分子量为10000的聚氧化乙烯多元醇组成。
上述聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法如下：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在200r/min的搅拌速率下混合1h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在800r/min的搅拌速率下混合15s，然后在85℃下静置反应发泡5h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在25℃下熟化24h，得到上述聚氨酯记忆泡沫材料。
对比例1
与实施例1的区别在于，二异氰酸酯的质量份数为35份，聚多元醇的质量份数为115份，其他原料、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例2
与实施例1的区别在于，二异氰酸酯的质量份数为65份，聚多元醇的质量份数为85份，其他原料、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例3
与实施例1的区别在于，聚多元醇由60wt％的数均分子量为3000的聚己内酯多元醇和40wt％的数均分子量为8000的聚氧化乙烯多元醇组成，其他原料、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例4
与实施例1的区别在于，50wt％的数均分子量为800的聚氧化丙烯多元醇和50wt％的数均分子量为8000的聚氧化乙烯多元醇组成，其他原料、用量及制备方法与实施例1相同。
对比例5
与实施例1的区别在于，聚多元醇由40wt％的数均分子量为800的聚氧化丙烯多元醇和60wt％的数均分子量为3000的聚己内酯多元醇组成，其他原料、用量及制备方法与实施例1相同。
将上述实施例1-5和对比例1-5提供的聚氨酯记忆泡沫材料制成380mm×380mm×100mm的样块，对其性能进行测试，方法如下：
玻璃化转变温度(Tg)：采用差示扫描量热仪测试；
压缩强度：在室温下将样块纵向高度压缩至50％，采用万能材料电子拉力试验机测试压缩强度；
形变回复率和形变复原时间：保持50％压缩量10min，撤去外力，测试样块达到最终高度(10s内高度无变化)的时间，记为形变复原时间；样块的最终高度与初始高度之比记为形变回复率。
上述性能测试的结果如下表1所示：
表1
Figure BDA0001496555910000111
由表1的结果可知，当二异氰酸酯过少，聚多元醇过多时，得到的材料偏软，Tg较低，强度不足，且形状回复率较低；当二异氰酸酯过多，聚多元醇过少时，形变复原时间过短，材料偏硬，柔软性较差；当改变聚多元醇的组成时，同样会导致泡沫材料偏硬或偏软，不适用于床垫材料。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (13)

1.一种床垫用聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述聚氨酯记忆泡沫材料包括如下质量份数的原料组分：
40-60份二异氰酸酯、90-110份聚多元醇、10-15份扩链剂、20-30份碳纤维、1.5-3份发泡剂、1-2份匀泡剂、0.5-1份开孔剂和0.3-1份催化剂；
所述二异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或碳化二亚胺改性的二苯基甲烷二异氰酸酯；
所述聚多元醇由20-30wt％的数均分子量为800-1500的聚氧化丙烯多元醇、40-60wt％的数均分子量为3000-5000的聚己内酯多元醇和20-30wt％的数均分子量为8000-12000的聚氧化乙烯多元醇组成；
所述聚多元醇的平均官能度为2.5-4；
所述聚氨酯记忆泡沫材料的表观密度为28-33kg/m3，玻璃化转变温度为30-35℃，50％压缩量下压缩强度为0.15-0.25MPa，形变回复率≥99.5％，形变复原时间为4-6s。
2.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述扩链剂选自乙二醇、1,3-丙二醇或1,4-丁二醇中的一种或至少两种的组合。
3.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述碳纤维的长径比为20-50:1。
4.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述发泡剂为水。
5.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述匀泡剂为聚醚改性有机硅氧烷。
6.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述开孔剂为韩国SKC公司的Y-1030。
7.根据权利要求1所述的聚氨酯记忆泡沫材料，其特征在于，所述催化剂选自N,N-二甲基环己胺、双(2-二甲氨基乙基)醚或四甲基亚烷基二胺中的一种或至少两种的组合。
8.根据权利要求1-7任一项所述的聚氨酯记忆泡沫材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂搅拌混合；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，搅拌混合，静置反应发泡，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫熟化，得到所述聚氨酯记忆泡沫材料。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述搅拌的速率为100-300r/min，时间为0.5-2h。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述搅拌的速率为500-1000r/min，时间为10-20s。
11.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述反应的温度为80-90℃，时间为3-6h。
12.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述熟化的温度为20-30℃，时间为12-24h。
13.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)按配方将聚多元醇、碳纤维、扩链剂、发泡剂、匀泡剂、开孔剂和催化剂在100-300r/min的搅拌速率下混合0.5-2h；
(2)向步骤(1)得到的混合液中加入二异氰酸酯，在500-1000r/min的搅拌速率下混合10-20s，然后在80-90℃下静置反应发泡3-6h，形成聚氨酯泡沫；
(3)将步骤(2)得到的聚氨酯泡沫在20-30℃下熟化12-24h，得到所述聚氨酯记忆泡沫材料。
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