CN111072915A - 一种聚氨酯泡沫组合物及利用该组合物制备聚氨酯泡沫的方法 - Google Patents

一种聚氨酯泡沫组合物及利用该组合物制备聚氨酯泡沫的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚氨酯泡沫组合物及制备聚氨酯泡沫的方法，泡沫组合物的原料组成包括：聚醚多元醇、多亚甲基多苯基异氰酸酯、发泡催化剂份、泡沫稳定剂、补充发泡剂、溶胶阻燃剂；胶阻燃剂的原料组成包括：溶胶催化剂、正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、尿素、金属盐。利用泡沫组合物通过发泡工艺就可制得硬质聚氨酯泡沫材料。本发明可实现不同阻燃成分混合均匀，增加阻燃协效性，还能改善无机阻燃剂在聚氨酯泡沫中分布不均匀，相容性差的缺点。

Description

一种聚氨酯泡沫组合物及利用该组合物制备聚氨酯泡沫的 方法
技术领域
本发明属于阻燃剂技术领域，具体涉及一种聚氨酯泡沫组合物及利用该组合物制备聚氨酯泡沫的方法。
背景技术
硬质聚氨酯 (RPUR) 泡沫是一种耐腐蚀，力学性能优异的泡沫材料，具有保温、粘结、防水、耐老化等优点，在建筑建材、家居、交通运输等领 域应用广泛，需求量不断扩大。但其在不添加阻燃剂时的极限氧指数基本只有18%左右。存在遇火易燃、火灾中产生大量浓烟和有毒气体等缺点，因此需要对聚氨酯泡沫材料进行阻燃改性，以使其达到国家建筑材料所规定的阻燃标准并具有良好的经济技术性。
聚氨酯泡沫的阻燃剂主要为卤系和无机金属氢氧化物阻燃剂。卤系阻燃剂燃烧毒性较大，且受环保要求卤系阻燃剂使用受到限制，传统的金属氢氧化物阻燃剂具有分解吸热，降低基体温度，热分解产物为水蒸气，对环境友好，能稀释空气中氧浓度、生成致密的金属氧化物层阻碍物质能量的传递等优点；但是存在添加量大、分散不均匀、与基体相容性差、基体力学性能大幅下降等缺点。
近年来磷系、氮系、硅系阻燃剂在使用过程中具有阻燃效果好，绿色环保等优势，得到国内外学者不断的研究和开发。
磷系阻燃剂是指基体燃烧过程中，含磷基团受热分解，生成强脱水型的偏磷酸、焦磷酸，不仅能促进基体成炭，自身还能形成玻璃状的或液态的保护层，具有较好的阻燃效果；氮系阻燃剂优点在于阻燃效率较高、无毒无害、成本低廉。含氮化合物在燃烧中分解生成NH3、N2、NO、水蒸气等不燃气体，在吸热降温的同时可降低可燃性气体氧气的浓度;硅系阻燃剂是指含有硅元素或以硅为骨架结构的一类阻燃剂，硅系阻燃剂不仅具有良好的阻燃性能，还能改善基体的加工性能、力学性能等，且无卤、低烟、低毒，是一类理想的通用型阻燃剂。单使用一种阻燃剂，阻燃效率不高，须与其他类型阻燃剂复合形成协同阻燃剂，能兼具低毒、无卤、低烟、阻燃效率高等优点。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有复配协效阻燃效果的聚氨酯泡沫组合物以及利用该组合物制备聚氨酯泡沫的方法。
本发明提供的第一种聚氨酯泡沫组合物，其原料组成按重量配比关系计包括：聚醚多元醇20-30份、多亚甲基多苯基异氰酸酯35-45份、发泡催化剂1-2份、泡沫稳定剂2-5份、补充发泡剂2-4份、溶胶阻燃剂10-25份。
进一步的是，所述溶胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计包括：溶胶催化剂20-50份、正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物15-20份、磷酸三乙酯15-30份、尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物1-5份、金属盐5-15份。
更进一步的是，所述溶胶阻燃剂的制备方法包括以下步骤：按重量配比关系取各组分，将正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物、磷酸三乙酯加入溶胶催化剂中，温度25-40℃条件下搅拌至水解完全，然后加入尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物、金属盐，搅拌均匀后制得溶胶阻燃剂。
利用第一种聚氨酯泡沫组合物制备聚氨酯泡沫的方法，包括以下步骤：在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、补充发泡剂和溶胶阻燃剂混合并搅拌均匀，再加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；或者，在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、补充发泡剂混合并搅拌均匀，再加入溶胶阻燃剂并搅拌均匀，最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；将发泡料液送入发泡模具中进行发泡，发泡成型后再经熟化处理，便制得聚氨酯硬质泡沫材料。
本发明提供的第二种聚氨酯泡沫组合物，其原料组成按重量配比关系计包括：聚醚多元醇20-30份、多亚甲基多苯基异氰酸酯35-45份、发泡催化剂1-2份、泡沫稳定剂2-5份、水 5-10份、补充发泡剂2-4份、凝胶阻燃剂 5-25份。
进一步的是，所述凝胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计包括：溶胶催化剂20-50份、正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物15-20份、磷酸三乙酯15-30份、尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物1-5份、金属盐5-15份。
更进一步的是，所述凝胶阻燃剂的制备方法包括以下步骤：按重量配比关系取各组分，将正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物、磷酸三乙酯加入溶胶催化剂中，温度25-40℃条件下搅拌至水解完全，然后加入尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物、金属盐，搅拌均匀后制得液溶胶，将液溶胶密封陈化至形成凝胶，将凝胶烘干后经研磨制成粒径为50-200um的凝胶颗粒，即得凝胶阻燃剂。
利用第二种聚氨酯泡沫组合物制备聚氨酯泡沫的方法，包括以下步骤：在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、水、补充发泡剂和凝胶阻燃剂混合并搅拌均匀，再加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；或者，在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、水、补充发泡剂混合并搅拌均匀，再加入凝胶阻燃剂并搅拌均匀，最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；将发泡料液送入发泡模具中进行发泡，发泡成型后再经熟化处理，便制得聚氨酯硬质泡沫材料。
所述的聚醚多元醇为聚醚多元醇4110，其羟基值为455±20 mgKOH/g、黏度为3500±1000 mPa·s /25℃。
所述溶胶催化剂为HNO3的水溶液（硝酸）和HCl的水溶液（盐酸）中的任一种或两种的任意质量比的组合物； HNO3的水溶液的浓度一般为 0.05-0.2mol/L ，HCl的水溶液的浓度一般为 0.05-0.2mol/L。
所述的金属盐是硝酸镁、硝酸铝、氯化镁和氯化铝中的任一种或两种以上的任意质量比的组合物。
所述发泡催化剂是二月桂酸二丁基锡和三乙烯二胺的任意质量比的混合物；所述泡沫稳定剂是水溶性硅油，所述补充发泡剂是环戊烷，能改善使用水作为发泡剂导致聚氨酯泡沫发硬的不足。
制备发泡料液时，可以采用两次搅拌或三次搅拌。两次搅拌时，第一次的搅拌速度为1000-1500r/min，搅拌时间为10-20秒；第二次的搅拌速度为1000-2000r/min，搅拌时间为5-10秒。三次搅拌时，第一次的搅拌速度为1000-1500r/min，搅拌时间为10-20秒；第二次的搅拌速度为1000-1500r/min，搅拌时间为5-20秒；第三次的搅拌速度为1000-2000r/min，搅拌时间为5-10秒。
所述熟化处理的方式为：在温度35-55℃条件下熟化5-8小时，再20-35℃条件下熟化8-12小时。
溶胶-凝胶技术可以使聚合物溶解在无机物的前驱体溶液中，在聚合物存在条件下，使前驱体水解、聚合或使聚合物单体和无机前驱体同步发生聚合而获得有机-无机交织网络，其相微区尺寸在纳米尺寸范围内，紧密结合或相互贯穿与尺寸范围很小的微区，且能控制材料的成份及微观相形态相互贯穿的程度。
本发明通过溶胶-凝胶法可以使含硅、磷、氮、镁或/和铝的原料在液相下水解、聚合，各元素分布均匀，且能根据不同的需求，改变原料的配比；均一体系的溶胶阻燃剂或凝胶阻燃剂的使用，能大大改善粉末阻燃剂依次添加时在聚氨酯泡沫中分布不均匀、相容性差、团聚等缺点，同时减小对基体力学及老化性能的影响，从而使体系达到最好的协同阻燃效应。
本发明解决了粉末阻燃剂依次添加时在聚氨酯泡沫中分布不均匀、相容性差、团聚等缺点，可实现不同阻燃成分混合均匀，增加了阻燃协效性；本发明通过溶胶-凝胶技术实现了硅、磷、氮、镁或/和铝等无机元素在聚氨酯泡沫中的均匀分布，充分实现了无机阻燃剂的协同阻燃效果，制得的聚氨酯泡沫阻燃效果优良。
具体实施方式
实施例1
（一）溶胶阻燃剂的原料组成及溶胶阻燃剂的制备
（1）溶胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计为：
HNO3的水溶液 （浓度为0.2mol/L）40份，
正硅酸四乙酯18份，
磷酸三乙酯27份，
尿素4份，
硝酸镁 11份。
（2）溶胶阻燃剂通过以下步骤制得：
按（1）中的配比关系取各组分，在温度30℃条件下，将正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯和HNO3的水溶液混合并搅拌至正硅酸四乙酯和磷酸三乙酯水解完全，然后加入尿素和硝酸镁，充分搅拌至形成透明-粘稠的液溶胶，该液溶胶为溶胶阻燃剂。
（二）聚氨酯泡沫组合物的原料组成及聚氨酯泡沫的制备
（1）聚氨酯泡沫组合物的原料组成按重量配比关系计为：
聚醚多元醇 28份，
三乙烯二胺 1.2份，
二月桂酸二丁基锡 0.8份，
水溶性硅油 2.5份，
环戊烷 3份，
上述（一）中的（1）制得的溶胶阻燃剂 22份，
多亚甲基多苯基异氰酸酯 42.5份。
（2）聚氨酯泡沫通过以下步骤制备
按（1）中的配比关系取各组分，在30℃温度条件下，将聚醚多元醇、三乙烯二胺、二月桂酸二丁基锡、水溶性硅油和环戊烷混合，在搅拌速度为1200rpm的工况下搅拌15s；再加入溶胶阻燃剂并在搅拌速度为1500rpm的工况下搅拌15s；最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并在搅拌速度为1800rpm的工况下搅拌8s，制得发泡料液；将发泡料液快速倒入发泡模具中进行发泡，发泡成型后在温度50℃的条件下经熟化处理8小时，出模后再常温熟化处理12小时，便制得阻燃聚氨酯硬质泡沫材料。
（一）凝胶阻燃剂的原料组成及凝胶阻燃剂的制备
（1） 凝胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计为：
HNO3的水溶液 （浓度为0.15mol/L） 45份，
正硅酸四乙酯 12份，
硅胶8份
磷酸三乙酯 22份，
尿素 5份，
硝酸镁 8份。
（2）凝胶阻燃剂通过以下步骤制得：
按（1）中的配比关系取各组分，在温度30℃条件下，将正硅酸四乙酯、硅胶、磷酸三乙酯和HNO3的水溶液混合并搅拌至正硅酸四乙酯、硅胶和磷酸三乙酯水解完全，然后加入尿素和硝酸镁，充分搅拌至形成透明-粘稠的液溶胶，将液溶胶密封陈化5天至形成凝胶，将凝胶在120℃下烘干24h，烘干后用玛瑙研磨制成粒径为50-200um的凝胶颗粒，即得凝胶阻燃剂。
（二）聚氨酯泡沫组合物的原料组成及聚氨酯泡沫的制备
（1）聚氨酯泡沫组合物的原料组成按重量配比关系计为：
聚醚多元醇 25份，
三乙烯二胺 1.2份，
二月桂酸二丁基锡 0.8份，
水溶性硅油 4.5份，
水 5份，
环戊烷 2份，
上述（一）中的（1）制得的凝胶阻燃剂 19份，
多亚甲基多苯基异氰酸酯 42.5份。
（2）聚氨酯泡沫通过以下步骤制备
按（1）中的配比关系取各组分，在30℃温度条件下，将聚醚多元醇、三乙烯二胺、二月桂酸二丁基锡、水溶性硅油、水和环戊烷混合，在搅拌速度为1000rpm的工况下搅拌15s；再加入凝胶阻燃剂并在搅拌速度为1500rpm的工况下搅拌15s；最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并在搅拌速度为2000rpm的工况下搅拌8s，制得发泡料液；将发泡料液快速倒入发泡模具中进行发泡，发泡成型后在温度50℃的条件下经熟化处理8小时，出模后再常温熟化处理10小时，便制得阻燃聚氨酯硬质泡沫材料。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于用硝酸铝替代实施例1中的硝酸镁，其它均同实施例1。
实施例4
实施例4与实施例2的不同之处在于用硝酸铝替代实施例2中的硝酸镁，其它均同实施例2。
实施例5
（一）溶胶阻燃剂的原料组成及溶胶阻燃剂的制备
（1）溶胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计为：
HCl的水溶液 （浓度为0.15mol/L）28份，
HNO3的水溶液 （浓度为0.1mol/L） 7份
正硅酸四乙酯 18份，
磷酸三乙酯27份，
三聚氰胺3.5份，
尿素1.5份
氯化镁 7.5份，
氯化铝 7.5份。
（2）溶胶阻燃剂通过以下步骤制得：
按（1）中的配比关系取各组分，在温度25℃条件下，将正硅酸四乙酯、磷酸三乙酯、HCl的水溶液和HNO3的水溶液混合并搅拌至正硅酸四乙酯和磷酸三乙酯水解完全，然后加入尿素、三聚氰胺、氯化镁和氯化铝，充分搅拌至形成透明-粘稠的液溶胶，该液溶胶为溶胶阻燃剂。
（二）聚氨酯泡沫组合物的原料组成及聚氨酯泡沫的制备
（1）聚氨酯泡沫组合物的原料组成按重量配比关系计为：
聚醚多元醇 30份，
三乙烯二胺 1.2份，
二月桂酸二丁基锡 0.8份，
水溶性硅油 2.5份，
环戊烷 2份，
上述（一）中的（1）制得的溶胶阻燃剂 22份，
多亚甲基多苯基异氰酸酯 41.5份。
（2）聚氨酯泡沫通过以下步骤制备
按（1）中的配比关系取各组分，在35℃温度条件下，将聚醚多元醇、三乙烯二胺、二月桂酸二丁基锡、水溶性硅油和环戊烷混合，在搅拌速度为1000rpm的工况下搅拌15s；再加入溶胶阻燃剂并在搅拌速度为1000rpm的工况下搅拌20s；最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并在搅拌速度为2000rpm的工况下搅拌6s，制得发泡料液；将发泡料液快速倒入发泡模具中进行发泡，发泡成型后在温度55℃的条件下经熟化处理6小时，出模后再常温熟化处理12小时，便制得阻燃聚氨酯硬质泡沫材料。
上述实施例1、2、3、4、5得到的聚氨酯泡沫进行氧指数测试，测试结果见下表。阻燃等级和氧指数测试的标准为GB/T2406.2-2009：
编号 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
阻燃等级 B1（B）级 B1（B）级 B1（B）级 B1（B）级 B1（B）级
氧指数（%） 31.3 30.2 30.4 29.8 32.7

Claims (10)

1.一种聚氨酯泡沫组合物，其特征在于该组合物的原料组成按重量配比关系计包括：聚醚多元醇20-30份、多亚甲基多苯基异氰酸酯35-45份、发泡催化剂1-2份、泡沫稳定剂2-5份、补充发泡剂2-4份、溶胶阻燃剂10-25份。
2.如权利要求1所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述溶胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计包括：溶胶催化剂20-50份、正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物15-20份、磷酸三乙酯15-30份、尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物1-5份、金属盐5-15份。
3.如权利要求2所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述溶胶阻燃剂的制备方法包括以下步骤：按重量配比关系取各组分，将正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物、磷酸三乙酯加入溶胶催化剂中，温度25-40℃条件下搅拌至水解完全，然后加入尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物、金属盐，搅拌均匀后制得溶胶阻燃剂。
4.利用权利要求1-3中任一权利要求所述的聚氨酯泡沫组合物制备聚氨酯泡沫的方法，其特征在于包括以下步骤：在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、补充发泡剂和溶胶阻燃剂混合并搅拌均匀，再加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；或者，在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、补充发泡剂混合并搅拌均匀，再加入溶胶阻燃剂并搅拌均匀，最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；将发泡料液送入发泡模具中进行发泡，发泡成型后再经熟化处理，便制得聚氨酯硬质泡沫材料。
5.一种聚氨酯泡沫组合物，其特征在于该组合物的原料组成按重量配比关系计包括：聚醚多元醇20-30份、多亚甲基多苯基异氰酸酯35-45份、发泡催化剂1-2份、泡沫稳定剂2-5份、水 5-10份、补充发泡剂2-4份、凝胶阻燃剂 5-25份。
6.如权利要求5所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述凝胶阻燃剂的原料组成按重量配比关系计包括：溶胶催化剂20-50份、正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种任意质量比的组合物15-20份、磷酸三乙酯15-30份、尿素和三聚氰胺中的任一种或两种任意质量比的组合物1-5份、金属盐5-15份。
7.如权利要求6所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述凝胶阻燃剂的制备方法包括以下步骤：按重量配比关系取各组分，将正硅酸四乙酯和硅胶中的任一种或两种的任意质量比的组合物、磷酸三乙酯加入溶胶催化剂中，温度25-40℃条件下搅拌至水解完全，然后加入尿素和三聚氰胺中的任一种或两种的任意质量比的组合物、金属盐，搅拌均匀后制得液溶胶，将液溶胶密封陈化至形成凝胶，将凝胶烘干后经研磨制成粒径为50-200um的凝胶颗粒，即得凝胶阻燃剂。
8.利用权利要求5-7中任一权利要求所述的聚氨酯泡沫组合物制备聚氨酯泡沫的方法，其特征在于包括以下步骤：在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、水、补充发泡剂和凝胶阻燃剂混合并搅拌均匀，再加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；或者，在25-40℃温度下，将聚醚多元醇、发泡催化剂、泡沫稳定剂、水、补充发泡剂混合并搅拌均匀，再加入凝胶阻燃剂并搅拌均匀，最后加入多亚甲基多苯基异氰酸酯并搅拌均匀，制得发泡料液；将发泡料液送入发泡模具中进行发泡，发泡成型后再经熟化处理，便制得聚氨酯硬质泡沫材料。
9.如权利要求2或6所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述溶胶催化剂为HNO3的水溶液和HCl的水溶液中的任一种或两种的任意质量比的组合物；所述的金属盐是硝酸镁、硝酸铝、氯化镁和氯化铝中的任一种或两种以上的任意质量比的组合物。
10.如权利要求1或5所述的聚氨酯泡沫组合物，其特征在于所述发泡催化剂是二月桂酸二丁基锡和三乙烯二胺的任意质量比的混合物；所述泡沫稳定剂是水溶性硅油，所述补充发泡剂是环戊烷。
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