CN109054234A - 高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料，是由下列重量份的组份制备而成：聚氯乙烯糊树脂100、酸酐2‑70、异氰酸酯20‑100、环氧化合物0‑30、发泡剂1‑20和镧基蒙脱土0.1‑20。此外，还公开了该聚氯乙烯结构泡沫材料的制备方法。本申请提供的高比强度阻燃耐热PVC泡沫材料仅添加一种物料即可以使得泡沫具有高的比强度而且达到阻燃和耐热性能的提高，在添加量少的情况下，制备工艺简单、操作简单，使泡沫材料具有优异的比强度和良好阻燃效果和耐热性能，降低成本。

Description

高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料及其制备方法
技术领域
本申请涉及结构泡沫材料技术，尤指一种高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料的制备方法。
背景技术
聚氯乙烯(PVC)结构泡沫材料因其具有密度小，比强度大，耐腐性好、机械性能优良等而被广泛应用于风电、船舶、交通、建筑等各个行业。现有技术中，硬质聚氯乙烯交联泡沫材料的组分主要包括聚氯乙烯糊树脂、异氰酸酯(如碳化二亚胺改性的异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯等)、酸酐(马来酸酐、甲基六氢苯酐、六氢苯酐等)、发泡剂(偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二甲酰胺等)。
常用的制备方法是：先将液体物料进行混合得到预混料，再加入固体物料进行混合得到糊状物质，然后将糊状物料倒入模具中，同时升高压力和温度，在一定压力下使模具内部物料的温度达到155-205℃，在此条件下，PVC树脂发生凝胶化反应，发泡剂开始分解，保持的时间控制为30-60s/mm，然后冷却至40-50℃以下后，开模，即可得到含有一定微小气泡孔的胚胎块，然后将胚胎块放置于热水或者蒸汽箱中，在一定温度和湿度的条件下进行膨胀，在水汽存在的条件下，样品中的物质可以进行二次反应，从而形成交联结构，再在一定温度和湿度下进行固化即可得到硬质交联结构的泡沫。
但是由于PVC树脂本身热稳定性较差，在生产泡沫材料的过程中不可避免的会存在热学性能的问题。目前专利报道中通常通过加入一些环氧组分作为增韧剂和稳定剂，缓解加工过程中的热分解问题，但是却延长固化的时间；或者通过添加一些钙锌复合剂来达到稳定的效果，但是效果有限；其中美国专利US20100068487中也报道成可使用K值为70的碱性PVC和特定的酸酐，来改善泡沫材料的性能，但是由于特定材料的选择使得生产成本明显提高，相应的工艺难度也相应增加。同样地，当泡沫材料应用于阻燃领域时，需要进行相应的阻燃改性，如中国专利CN106867140中采用添加三氧化二锑作为阻燃剂；CN104031326中采用添加磷酸酯或含溴阻燃剂的方法提供泡沫的阻燃性，每种填料的添加都只是起到单一的作用，若达到阻燃和耐热性能的同时提高则需要添加多种物质，进而增加工艺操作难度，不利于泡沫材料的批次生产，同时由于填料的加入对于泡沫材料本体的比强度也有可能带来不利的影响。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本申请提供了一种高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料，通过添加单一物料从而达到了阻燃和耐热性能的提高，并可以实现低比重下的优异的机械性能，不但克服了现有技术中需要添加多种物质来实现阻燃和耐热性能的提高以及增加工艺难度和不利于工业化批量生产的技术问题，而且使得泡沫具有优异的机械性能。
具体地，本申请提供了一种高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料，是由下列重量份的组份制备而成：
在本申请的一种实施方案中，本申请提供了一种阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料，是由下列重量份的组份制备而成：
在本申请的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述的镧基蒙脱土是采用一步法合成的；该方法为将氯化镧、阴离子表面活性剂月桂酸钠、钠基蒙脱土通过沉淀吸附法制备具体地，该方法包括以下步骤：
a)将钠基蒙脱土放置于水中，搅拌分散1.5～2.5h，分散均匀后恒温加热搅拌5.5～6.5h，调节溶液pH值，范围为5-7；这里，可选地，所述钠基蒙脱土的阳离子交换容量(CEC)为80-160meq/100g，钠基蒙脱土与水的质量比例为1:25～50，加热的温度为40～90℃，所述pH调节剂为无机酸，所述无机酸为盐酸；；
b)加入氯化镧溶液，高速搅拌2.5～5h，可以使得钠基蒙脱土层间的阳离子与镧离子的充分交换；这里，氯化镧溶液的物质量浓度为0.15～0.55mol/l,稀土镧无机盐与钠基蒙脱土阳离子交换容量的摩尔比为1.5～4.5:1；
c)调节pH值，范围为7～11，然后加入月桂酸镧，；继续搅拌反应2.5～5h；这里，月桂酸钠与氯化镧的摩尔比为1.0～4.0:1；所述调节pH值得调节剂为无机碱，所述无机碱为氢氧化钠；
d)先用50-60℃的去离子水进行洗涤，洗涤约5-6次至Cl-完全去除，再用30-40℃热的50体积％乙醇洗涤3-4次，离心取沉淀物；真空干燥温度(可选80-100℃)；然后经过洗涤、研磨即可得到相应的镧基蒙脱土。
在本申请的高比强度阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述酸酐为甲基六氢苯酐、六氢苯酐、马来酸酐、琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐、四氢苯酐、甲基四氢苯酐、偏苯三甲酸酐、均苯四酐中的一种或者几种。
在本申请的高比强度阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯(TDI)、碳化二亚胺改性二甲苯甲烷二异氰酸酯(液化MDI)和多亚甲基多苯基多异氰酸酯(PAPI)中的一种或者几种。
在本申请的高比强度阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述环氧化合物为环氧大豆油、环氧树脂、环氧动物油、环氧甘油三酯中的一种或者几种。
在本申请的高比强度阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述发泡剂为偶氮二异丁腈(AIBN)、偶氮二异庚腈(AMBN)、偶氮二甲酰胺(AC)中的一种或者几种。
在本申请的高比强度阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料中，其中，所述聚氯乙烯树脂为PVC(聚氯乙烯)糊树脂。
另一方面，本申请提供了上述阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)按组成和重量比例称取各组分物料，先将液体料混合，然后加入除PVC树脂以外的其他物料进行混合，均质完成后加入PVC树脂搅拌均匀，抽真空脱泡，得到糊状混合物；
(2)将糊状混合物注入清洗完毕的模具中，在压力为5-20Mpa的条件下进行模压，先升温至160-200℃，保温40-75min，再冷却至35℃以下，保温10-40min得到胚胎块；
(3)将得到的胚胎块放于水浴环境或者蒸汽室中进行膨胀，采用梯度升温的方法，每次升温后温度保持时间至少为40-130min，直至升温至80-98℃，得到半成品泡沫；
(4)将半成品泡沫放置于40-80℃下的水浴环境或者蒸汽室中进行固化，固化时间为3-12天。
与现有技术相比，本申请提供的阻燃耐热PVC泡沫材料仅添加一种物料即可以使得泡沫具有高的比强度而且达到阻燃和耐热性能的提高，采用一步合成法制备的镧基蒙脱土作为改性剂，其不仅可以提高泡沫材料的热学性能，而且镧系稀土元素的存在可以改善材料的阻燃性能。在添加量少的情况下，制备工艺简单、操作简单，使泡沫材料具有优异的比强度和良好阻燃效果和耐热性能，降低成本。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
以下结合实施例进一步说明本申请，实施例中所用原料均为商购获得，其中，镧基蒙脱土为自制。
在本申请的实施例中，所述镧基蒙脱土是采用下列方法制备：
称取10g CEC为145mmol/100g的钠基蒙脱土置于300g的水中，室温下搅拌2h，分散均匀后加热至60℃，继续搅拌6h，利用0.2mol/L的盐酸溶液调节pH值至5；然后加入2倍CEC容量的0.4mol/L的氯化镧溶液，高速搅拌4h，再利用0.2mol/L的氢氧化钠溶液调节pH值至8，再加入1.5倍摩尔比于氯化镧的0.4mol/L的月桂酸钠溶液，继续搅拌4h，离心，先用50-60℃的去离子水进行洗涤，洗涤约5-6次至Cl-完全去除，再用30-40℃热的50体积％乙醇洗涤3-4次，离心取沉淀物；真空干燥温度(80-100℃)；然后研磨即可得到相应的镧基蒙脱土。
对比例
聚氯乙烯泡沫，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、18重量份的甲基六氢苯酐、4重量份的环氧树脂、54重量份的液化MDI，8重量份的偶氮二异丁腈组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将甲基六氢苯酐、环氧树脂、液化MDI进行搅拌，搅拌5min之后加入偶氮二异丁腈进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在70℃预热25min，然后升压至13MPa，升温至170℃，模压时间为50s/min、最后冷却至30℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为89℃，固化温度为60℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
实施例1
聚氯乙烯泡沫材料，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、20重量份的六氢苯酐、6量份的环氧树脂、60重量份的液化MDI，8.5量份的偶氮二异丁腈，4重量份的镧基蒙脱土组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将六氢苯酐、环氧树脂、液化MDI进行搅拌，搅拌5min之后加入偶氮二异丁腈和镧基蒙脱土进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在70℃预热25min，然后升压至13MPa，升温至180℃，模压时间为45s/min、最后冷却至30℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为93℃，固化温度为60℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
实施例2
聚氯乙烯泡沫材料，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、10重量份的六氢苯酐、11重量份的邻苯二甲酸酐、8重量份的环氧树脂、30重量份的TDI，32重量份的PAPI，8重量份的偶氮二异丁腈，2重量份的偶氮二甲酰胺，8重量份的镧基蒙脱土组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将六氢苯酐、邻苯二甲酸酐、环氧树脂、TDI和PAPI进行搅拌，搅拌5min之后加入偶氮二异丁腈、偶氮二甲酰胺和镧基蒙脱土进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在90℃预热20min，然后升压至13MPa，升温至182℃，模压时间为50s/min、最后冷却至30℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为95℃，固化温度为60℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
实施例3
聚氯乙烯泡沫材料，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、9重量份的甲基六氢苯酐、13重量份的琥珀酸酐、4重量份的环氧树脂、40重量份的液化MDI，26重量份的PAPI，7.5重量份的偶氮二异丁腈，2.5重量份的偶氮二甲酰胺，12重量份的镧基蒙脱土组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将甲基六氢苯酐、环氧树脂、液化MDI和PAPI进行搅拌，搅拌5min之后加入琥珀酸酐、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酰胺和镧基蒙脱土进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在90℃预热20min，然后升压至14MPa，升温至182℃，模压时间为50s/min、最后冷却至30℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为97℃，固化温度为60℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
实施例4
聚氯乙烯泡沫材料，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、15重量份的邻苯二甲酸酐、18重量份的琥珀酸酐、6重量份的环氧树脂、60重量份的TDI，30重量份的PAPI，8.5重量份的偶氮二异丁腈，2.2重量份的偶氮二甲酰胺，16重量份的镧基蒙脱土组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将邻苯二甲酸酐、环氧树脂、TDI和PAPI进行搅拌，搅拌5min之后加入琥珀酸酐、偶氮二异丁腈、偶氮二甲酰胺和镧基蒙脱土进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分按照质量份数的要求混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在80℃预热25min，然后升压至13MPa，升温至182℃，模压时间为60s/min、最后冷却至35℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为97℃，固化温度为65℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
实施例5
聚氯乙烯泡沫材料，由100重量份的聚氯乙烯糊树脂、25重量份的六氢苯酐、4重量份的环氧树脂、75重量份的液化MDI，9重量份的偶氮二异丁腈，2.25重量份的偶氮二甲酰胺，10重量份的镧基蒙脱土组成。
上述聚氯乙烯泡沫材料的制备：按照重量份要求，先将六氢苯酐、环氧树脂、液化MDI进行搅拌，搅拌5min之后加入偶氮二异丁腈、偶氮二甲酰胺和镧基蒙脱土进行混合，搅拌10min，均质5min，最后再加入聚氯乙烯糊树脂搅拌15min。将上述各组分混合均匀后，抽真空脱泡15-17min，然后加入模具中，先在80℃预热25min，然后升压至14MPa，升温至185℃，模压时间为50s/min、最后冷却至40℃后开模，得到胚胎块，然后在恒温恒湿房中进行二次发泡和固化，二次发泡的温度为97℃，固化温度为65℃，得到聚氯乙烯泡沫材料。
对对比例和实施例1-5中的聚氯乙烯泡沫材料的性能进行检测，检测结果如表1所示。
表1对比例和实施例1-5的聚氯乙烯泡沫材料的性能
表观密度 压缩强度 氧指数 体积变化率
对比例 64 0.78-0.84 26 25.35％
实施例1 65 1.02-1.08 34 11.35
实施例2 63 1.04-1.09 36 8.66
实施例3 64 1.19-1.23 37 6.10％
实施例4 65 1.14-1.16 36 9.07
实施例5 66 1.23-1.34 34 10.06％
检测方法 ISO 845 GB/T 8813 GB/T2406 120℃/60min
从表1中可以看出，本申请加入镧基蒙脱土后制备的聚氯乙烯泡沫材料具有高的比强度和优异的阻燃和耐热性能。其作用主要体现在两方面：1，长链脂肪酸镧插入到蒙脱土的层间，使得层间距增大；2，在模压过程中，高温的作用使得异氰酸酯可与经有机化改性的镧基蒙脱土发生反应，由于异氰酸酯的体积效应使得蒙脱土的层间距进一步的增大。
而正是由于层间距的增大使得PVC分子链更易在蒙脱土层间缠绕，增加体系的交联程度，使得泡沫材料具有高的比强度，
同时镧基蒙脱土上的La与PVC分子链上的不稳定氯原子之间存在一定的配位能力，其可以有效的对PVC的热分解和氯化氢的释放产生相应的抑制，从而改善PVC泡沫材料的耐热性能。
另外该层状结构的存在能够阻隔内部PVC分子链热降解产生的一些小分子物质向燃烧界面的扩散，其能有效延缓外界的O2向燃烧内部的迁移，从而延缓燃烧的进行，进而起到阻燃的作用。从而使得制备的泡沫材料具有高的比强度和优异的阻燃和耐热性能。

Claims (9)

1.一种高比强度的阻燃耐热聚氯乙烯结构泡沫材料，是由下列重量份的组份制备而成：
2.如权利要求1所述的结构泡沫材料，是由下列重量份的组份制备而成：
3.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，其中，所述的镧基蒙脱土是将氯化镧、阴离子表面活性剂月桂酸镧、钠基蒙脱土通过沉淀吸附法制备所得。
4.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，其中，所述酸酐为甲基六氢苯酐、六氢苯酐、马来酸酐、琥珀酸酐、邻苯二甲酸酐、四氢苯酐、甲基四氢苯酐、偏苯三甲酸酐、均苯四酐中的一种或者几种。
5.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，其中，所述异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯、碳化二亚胺改性二甲苯甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基多异氰酸酯中的一种或者几种。
6.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，其中，所述环氧化合物为环氧大豆油、环氧树脂、环氧动物油、环氧甘油三酯中的一种或者几种。
7.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，其中，所述发泡剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、偶氮二甲酰胺中的一种或者几种。
8.如权利要求1或2所述的结构泡沫材料，所述聚氯乙烯树脂为PVC糊树脂。
9.如权利要求1至8中任一项所述结构泡沫材料制备方法，包括如下步骤：
(1)按组成和重量比例称取各组分物料，进行混合，均质完成后加入聚氯乙烯树脂搅拌均匀，抽真空脱泡，得到糊状混合物；
(2)将糊状混合物注入清洗完毕的模具中，在压力的条件下进行模压，先升温，保温，再冷却至35℃以下，得到胚胎块；
(3)将得到的胚胎块放于水浴环境或者蒸汽室中进行膨胀，采用梯度升温，得到半成品泡沫；
(4)将半成品泡沫放置于水浴环境或者蒸汽室中进行固化。
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