CN111019185B - 一种低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶及其制备方法，涉及建筑保温隔热领域，其目的是为了提供一种低热导率、力学性能优良、阻燃性能好的聚氨酯气凝胶。它主要利用HDI三聚体与二元醇反应引发交联，通过缩聚反应，形成氨酯官能团氨基甲酸酯基团(‑NHCOO‑)，从而产生三维的聚氨酯网络，通过阻燃改性提升其阻燃性能，得到低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶。本发明制备的聚氨酯气凝胶具有良好的力学性能，阻燃性能和低热导率，可达到离火自熄，制备方法简单，操作简易，过程可控，生产可连续化。

Description

一种低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶及其制备方法
技术领域：
本发明涉及建筑保温隔热技术领域，具体涉及一种低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶及其制备方法。
背景技术：
在建筑中采用良好的保温技术与材料，是降低建筑能耗的一种有效手段。据估算使用先进的节能材料和合理的节能措施能够节省高达80％的建筑能耗。
气凝胶是一种以纳米量级胶体粒子相互聚集而构成的纳米多孔网络结构，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料。独特的三维网络结构使其具有低密度、高孔隙率、高比表面积、低导热率等优异性能，因此，气凝胶隔热材料是一类具有极低热导率的新型高效隔热材料，并且在航空航天、军事武装设备及民用建筑和工业管道保温等隔热领域已显现出广阔的应用前景。
但无机气凝胶机械性能差，易碎，使用寿命短从而限制了它的实际应用。针对以上缺点，有机的聚氨酯基气凝胶有着更好的稳定性和力学性能，应用范围更广。但有机材料大部分都有易燃性，我国在2015年新发布的《建筑设计防火规范》中对外墙保温材料燃烧性能进行了明确的规定，建筑的内、外保温系统，宜采用燃烧性能为A级的保温材料，常用B1级保温材料，不宜采用B2级保温材料，严禁采用B3级保温材料。因此，开发一种阻燃与保温兼备的聚氨酯基气凝胶材料，应用于建筑节能的理想绝热保温材料，具有广阔的市场前景和社会意义
发明内容：
本发明的目的是提供一种用作建筑保温材料的低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶及其制备方法，以解决无机气凝胶机械性能差、有机气凝胶力学性能优良却易燃，制备周期长工艺条件要求复杂等技术问题，从而克服现有技术的不足。
所制备的聚氨酯气凝胶由于其气凝胶的多孔网络结构使其具有低密度与低导热率以达到保温效果，由其聚氨酯基质使其具有优良的力学性能，通过添加阻燃改性剂以提高其阻燃性。通过常温常压干燥以避免复杂和高要求的工艺条件并减少制备周期。
所制备的低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶由多异氰酸酯、乙腈溶剂、多元醇、磷酸酯类阻燃剂、催化剂等原料制得。原料按质量分数计：多异氰酸酯10-20份、乙腈溶剂70-140份、多元醇5-10份、磷酸酯类阻燃剂5-15份、催化剂0.1-0.3份。多异氰酸酯为N3300、 N3390等其中一种或两种复合。多元醇为二乙二醇、二缩三乙二醇、三缩四乙二醇等其中一种或两种。磷酸酯类阻燃剂是三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)、三(2-氯丙基)磷酸酯(TCPP)等其中一种或两种复合。催化剂为二月桂酸丁基锡。
制备工艺：
(1)前驱体溶液的配制
将10-20份的多异氰酸酯与35-70份的乙腈溶剂放入烧杯中混合，玻璃棒搅拌至单体完全溶解在乙腈溶剂中。将5-10份的二元醇加入35-70份乙腈溶液中充分搅拌，随后加入到多异氰酸酯与乙腈溶剂的混合液中充分搅拌。加入5-15份阻燃剂，最后加入0.1-0.3份催化剂到溶剂中充分搅拌。视溶液多少使用恒温磁力搅拌器搅拌5-30min，最后将混合均匀的溶液倒入模具中，模具采用不与溶液反生反应的聚丙烯或玻璃材质的模具中。
(2)凝胶老化
将模具放置20-30℃的恒温干燥箱中静置待其凝胶完全，凝胶完全以模具局倾斜45°而液体不产生流动为标准。待凝胶完全，在10-40℃下静置6-12h老化，具体老化时间根据样品多少及老化情况在合理范围内即可。
(3)湿凝胶的置换
将湿凝胶从模具中取出进行溶剂清洗置换。用置换溶剂反复冲洗湿凝胶5-10分钟后将湿凝胶浸泡在置换溶剂中，每6-12h置换一次，重复3-5次。
(4)湿凝胶的干燥
将老化、置换之后的湿凝胶放置20-60℃的恒温干燥箱中24-72h进行常压干燥直至内部溶剂全部蒸发完毕得到最终的气凝胶样品。
由于采用上述技术方案，所制得聚氨酯气凝胶力学性能优秀，导热率低，保温隔热性能良好，同时不易燃，阻燃效果优秀，有效改善了聚氨酯气凝胶易燃的缺点。
附图说明：
图1为本发明实施例1制备的气凝胶样品的扫描电镜图；
图2为本发明实施例1制备的气凝胶样品的弹性性能展示图；
图3为本发明实施例1制备的气凝胶样品的离火自熄性能展示图。
具体实施方式：
实施例1
将7.82g的单体N3300与35ml的乙腈溶液放入烧杯中混合，玻璃棒搅拌10min至单体完全溶解在乙腈溶剂中；将3.52g二缩三乙二醇加入35ml乙腈溶液中充分搅拌，随后将二所三乙二醇与乙腈的混合溶液加入至N3300与乙腈的混合溶液中充分搅拌；加入3.65g 的TCPP溶剂充分搅拌，再逐滴滴入0.01ml的二月桂酸丁基锡；使用恒温磁力搅拌器搅拌20min，最后将混合均匀的溶液倒入烧杯中。
将容器放置在25℃恒温干燥箱中2h确定凝胶，再将其静置在25℃恒温干燥箱中12h 待其充分老化；用正己烷溶剂反复冲洗湿凝胶10分钟后将湿凝胶浸泡在正己烷溶剂中，每 12h置换一次，重复3次；将湿凝胶放置40℃的恒温干燥箱中48h进行常压干燥直至内部溶剂全部蒸发完毕得到最终的气凝胶样品(如图1所示)。
如图2所示，所制得防火聚氨酯气凝胶密度为0.291g/cm3，孔隙率为86.59，拉伸强度为1.34MPa，导热系数为0.047，离火自熄(如图3所示)。
实施例2
1配制溶液：将9.3g的单体N3300与35ml的乙腈溶液放入烧杯中混合，玻璃棒搅拌10min至单体完全溶解在乙腈溶剂中。将4.19g二缩三乙二醇加入35ml乙腈溶液中充分搅拌，随后将二所三乙二醇与乙腈的混合溶液加入至N3300与乙腈的混合溶液中充分搅拌。加入3.65g的TCPP溶剂充分搅拌，再逐滴滴入0.015ml的二月桂酸丁基锡。使用恒温磁力搅拌器搅拌20min，最后将混合均匀的溶液倒入烧杯中。
2凝胶和老化：将容器放置在25℃恒温干燥箱中3h确定凝胶，再将其静置在30℃恒温干燥箱中12h待其充分老化。
3凝胶的溶剂置换：将湿凝胶从模具中取出进行溶剂清洗置换。用正己烷溶剂反复冲洗湿凝胶10分钟后将湿凝胶浸泡在正己烷溶剂中，每12h置换一次，重复4次。
4干燥：将湿凝胶放置40℃的恒温干燥箱中48h进行常压干燥直至内部溶剂全部蒸发完毕得到最终的气凝胶样品。
所制得防火聚氨酯气凝胶密度为0.305g/cm3，孔隙率为84.59，拉伸强度为1.34MPa，导热系数为0.053，离火自熄。
实施例3
1配制溶液：将11.07g的单体N3300与40ml的乙腈溶液放入烧杯中混合，玻璃棒搅拌 10min至单体完全溶解在乙腈溶剂中。将4.19g二缩三乙二醇加入40ml乙腈溶液中充分搅拌，随后将二所三乙二醇与乙腈的混合溶液加入至N3300与乙腈的混合溶液中充分搅拌。加入3.65g的TCPP溶剂充分搅拌，再逐滴滴入0.02ml的二月桂酸丁基锡。使用恒温磁力搅拌器搅拌20min，最后将混合均匀的溶液倒入烧杯中。
2.凝胶和老化：将容器放置在25℃恒温干燥箱中4h确定凝胶，再将其静置在30℃恒温干燥箱中12h待其充分老化。
3.凝胶的溶剂置换：将湿凝胶从模具中取出进行溶剂清洗置换。用正己烷溶剂反复冲洗湿凝胶10分钟后将湿凝胶浸泡在正己烷溶剂中，每12h置换一次，重复4次。
4干燥：将湿凝胶放置60℃的恒温干燥箱中48h进行常压干燥直至内部溶剂全部蒸发完毕得到最终的气凝胶样品。
所制得防火聚氨酯气凝胶密度为0.323g/cm3，孔隙率为85.76，拉伸强度为1.34MPa，导热系数为0.061，离火自熄。

Claims (1)

1.一种低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶，其特征在于：由HDI三聚体与二元醇及阻燃剂一步法合成；所得到阻燃聚氨酯气凝胶具有微米和纳米级孔隙的聚氨酯三维网络结构，具有良好的力学性能，保温性能和阻燃性能；
所述低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶由以下步骤制得：
将7.82g的单体N3300与35ml的乙腈溶剂放入烧杯中混合，玻璃棒搅拌10min至单体完全溶解在乙腈溶剂中；将3.52g二缩三乙二醇加入35ml乙腈溶剂中充分搅拌，随后将二缩三乙二醇与乙腈的混合溶液加入至N3300与乙腈的混合溶液中充分搅拌；加入3.65g的TCPP充分搅拌，再逐滴滴入0.01ml的二月桂酸丁基锡；使用恒温磁力搅拌器搅拌20min，最后将混合均匀的溶液倒入烧杯中；
将容器放置在25℃恒温干燥箱中2h确定凝胶，再将其静置在25℃恒温干燥箱中12h待其充分老化；用正己烷溶剂反复冲洗湿凝胶10分钟后将湿凝胶浸泡在正己烷溶剂中，每12h置换一次，重复3次；将湿凝胶放置40℃的恒温干燥箱中48h进行常压干燥直至内部溶剂全部蒸发完毕，得到所述低热导率弹性阻燃聚氨酯气凝胶。
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