CN111484596B - 一种改性建材及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种改性建材，包括如下配方的组分：50‑80重量份的A料、100‑300重量份的B料和20‑50重量份的辅料，其中A料为表面修饰的聚酯多元醇，B料为改性聚合异氰酸酯，辅料包括：催化剂、发泡剂、增韧剂，其中改性聚合异氰酸酯的制备方法为：在100份聚合异氰酸酯(粗MDI)中加入2‑5重量份数环氧树脂，加热至100‑126℃,搅拌15‑40min后继续加入1‑3重量份的软泡甘油聚醚维持温度搅拌1‑3min，然后加入2‑5重量份的碳化二亚胺搅拌2‑5min，冷却后静置，得到103‑110重量份数的改性异氰酸酯。本发明在改性聚合异氰酸酯制备中添加软泡甘油聚醚，在与多元醇反应时大大提高了交联度，用于增加产品饱和度、韧性和弹性、防止产品易损开裂。

Description

一种改性建材及其制备方法
技术领域
本发明属于建筑建材改性制备技术领域，涉及一种改性建材及其制备方法。
背景技术
目前，生态建筑在各地方发展处于起步阶段、西欧和北欧是发展较好的地区，近年来，各国建筑师都在潜心研究生态建筑的材料技术和建筑结构制造方法。我国也相继出台了一系列绿色建筑建材的国家长期发展规划和实施政策、严禁在生态自然保护区使用传统水泥砂浆等材料进行项目开发建设、严格要求建筑建材的节能环保性能及生产应用制备技术的科学化量减少对森林的砍伐及自然景观、山石水体的破坏，使自然成为建筑的一部分，通过新材料的研发取代传统建筑材料实现能量循环利用。中国现有建筑中建材主要以水泥砂浆或钢混结构为主、因建筑使用周期过短导致拆除困难而且产生大量建筑垃圾、大量使用传统木质房屋又存在诸多问题如：导致水土流失、破坏生态环境、火灾、防腐、防虫等一系列问题都难以解决，以PVC为原材料生产的仿木材料容易老化、易碎变形、易褪色、难维护等缺点。
建筑材料是建筑的物质基础、绿色建筑的发展对建筑材料提出了新的要求、绿色建材应该是在全生命周期内减少对资源的消耗、减轻对生态环境的影响、具有节能、减排、安全、健康、便利和可循环利用特征的健康产品。
从全球可持续发展的观点来看，提倡各种建筑生态技术的应用，发展低碳绿色生态建材，有助于推动全球生存品质的改善。对于发展中国家，加大低碳绿色生态建筑建材的研究，推进建筑的生态化，无论从环境的角度、能源的角度或是可持续发展的角度都将有重要的现实意义。
发明内容
由我公司研发的改性建材作为一种新型的建筑材料因其具有木材接近的密度和重量，但以其超强的韧性及天然的抗老化性能、保温隔热性能、防腐性能、隔音性能、防火防虫灾性能等优势比原木和仿木作为建材的质量高出很多，尤其在新型装配式建筑装饰、结构维护墙板、家具制造、户外园林栈道、花木架、凉亭、花盆等各种艺术品方面能够很好地代替原木应用，可以与钢材、石材水泥、无机板材料等复合制成各种可据可刨可打孔的各种结构建材。
本发明目的是针对现有技术中原木及仿木材料在抗老化、保温隔热隔音、防火防虫耐腐蚀方面性能不够理想的问题，现提供一种改性建材配方及其制备方法。
为达以上目的，具体方案如下：
一种改性建材，包括如下配方的组分：50-80重量份的A料、100-300重量份的B料和19-44重量份的辅料，其中A料为表面修饰的聚酯多元醇，B料为改性聚合异氰酸酯，辅料包括：催化剂、发泡剂、增韧剂，其中改性聚合异氰酸酯的制备方法为：在100份聚合异氰酸酯(粗MDI)中加入2-5重量份数环氧树脂，加热至100-126℃,搅拌15-40min后继续加入1-3重量份的软泡甘油聚醚维持温度搅拌1-3min，然后加入2-5重量份的碳化二亚胺搅拌2-5min，冷却后静置，得到103-110重量份数的改性异氰酸酯。
优选地，表面修饰的聚酯多元醇的制备方法为：在100重量份的聚酯多元醇中加入2-8重量份的壳聚糖和1-3重量份的丙烯腈，在温度85～95℃条件下超声波5-10min，反应完成后冷却至室温，得到表面修饰的聚酯多元醇。
优选地，聚酯多元醇优选聚ε-己内酯多元醇。
优选地，所述催化剂为1-5重量份数的A33或CX310的任一种或两种混合。
优选地，发泡剂为1-4重量份数的水。
优选地，辅料还包括8-12重量份的阻燃剂。8-12重量份的阻燃剂包括：溴系阻燃剂0-6重量份、红磷与氢氧化铝0-3重量份、膨胀性石墨0-3重量份。
优选地，辅料还包括2--5重量份的色粉。
优选地，增韧剂包括5-10重量份的木纤维粉。
优选地，增韧剂包括5-10重量份的接枝改性木纤维粉，其中接枝改性木纤维粉的制备方法为：a、选择3-10重量份粒径小于80μm的木纤维粉；b：配置A溶液：按体积比1：10-12将氨水和乙醇溶液混合制得A溶液；c、配置B溶液：按体积比1：6-9取一定量的硅酸四乙酯溶解于乙醇溶液中，制得B溶液；d、对木纤维粉进行接枝改性：将步骤c制备的A溶液与步骤b制备的A溶液混合，搅拌均匀并加热至55-65℃维持温度5-6min，制得改性溶液，e、将步骤a的木纤维粉加入改性溶液中，以5℃/min升温至120℃，保温2-5h，冷却至室温；f、将所得混合液置于65-85℃的烘箱中烘干，得到接枝二氧化硅的木纤维粉；g、将步骤f制得的接枝二氧化硅粒子的木纤维粉，加入乙醚溶解的硅烷偶联剂中，搅拌1-2h，将得到的固体于烘箱内80-100℃烘干，制得接枝改性木纤维粉。
优选地，增韧剂包括2-6重量份的碳纤维粉。
优选地，增韧剂包括粒径6-50μm表面改性碳纤维粉，其制备方法为：碳纤维浸入pH为5～6的溶有乙酰水杨酸和四氢吡喃分子的溶液中，在55～60℃下超声波处理1～5min，表面形成共聚物层，洗涤、烘干后在密闭环境下加热至220-300℃2-5h，冷却至常温得到表面改性碳纤维粉。
本发明还提供一种所述的改性建材的制备方法，其包括如下步骤：
A料与辅料按比例预先混合保持封闭状态，生产时再与B料按比例通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明的改性建材。
模具里面预埋钢结构铁件、石材、杂木、水泥板及其他无机材料板、注入A/B组合料后会聚合反应复合成型。
混合后起发时间：5-25秒；乳白时间：10-25秒；熟化时间：5-20/分钟。
成品密度：150kg-360kg/m3；导热系数：≤0.0195w/(m·k)-0.033w/(m·k)；氧指数01≥32；烟密度(SDR)≤23.60；吸水率≤2.0％；闭孔率≥97.5；耐高温范围：-200℃～+140℃。
本发明的改性建材用于装配式生态建筑结构复合板、仿木建筑建材、装饰建材、园林艺术品、家具制造、太阳能、冷库冰箱、保温隔热材料。
本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：
1、本发明可以在模具里面预埋钢结构铁件、石材、杂木、水泥板及其他无机材料板、注入A/B组合料后会聚合反应复合成型、无需喷涂胶黏剂。
2、本发明的添加接枝改性木纤维粉不仅增强产品撕裂性和原木效果，而且提高了建材的耐水性能。
3、本发明添加表面改性碳纤维粉不仅用于增强产品耐候性和抗冲击力强度，而且提高了产品的闭孔率和阻燃性。
4、本发明用于水与异氰酸酯反应成C02和脲产生聚合反应、取代传统CFC-11\141B等含有(ODP)HCFC((氢氯氟碳化合物)破坏臭氧层发泡剂、使用全水发泡能提高产品品质降低成本、安全环保。
5、本发明在改性聚合异氰酸酯制备中添加软泡甘油聚醚，在与多元醇反应时大大提高了交联度，用于增加产品饱和度、韧性和弹性、防止产品易损开裂。
6、本发明先对改性聚合异氰酸酯改性，改性过程中产生了聚脲，在与A料混合反应过程在红，用于乳化泡沫物料、稳定泡沫和调节泡孔均匀度的作用。
7、本发明的改性聚合异氰酸酯经过三次改性，提高了制备建材的压缩强度、拉伸强度和弯曲强度，并大大降低了热导率。
8、本发明采用表面修饰的聚酯多元醇，提高了聚酯多元醇的流动性，使与B料反应时更加均匀，制备的建材质量差异性极小。
9、一般木材的密度范围约为0.44～0.57，平均值为0.54，即540kg/m3，紫檀木因密度>1000kg/m3能入水即沉，本发明制备的建材成品密度：150kg-360kg/m3，与木材密度接近，但有略轻与一般木材。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，对分发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
第一部分：
制备改性聚合异氰酸酯：在100份聚合异氰酸酯(粗MDI)中加入2-5重量份数环氧树脂，加热至100-126℃,搅拌15-40min后继续加入1-3重量份的软泡甘油聚醚维持温度搅拌1-3min，然后加入2-5重量份的碳化二亚胺搅拌2-5min，冷却后静置，得到103-110重量份数的改性异氰酸酯。
制备表面修饰的聚酯多元醇：在100重量份的聚酯多元醇中加入2-8重量份的壳聚糖和1-3重量份的丙烯腈，在温度85～95℃条件下超声波5-10min，反应完成后冷却至室温，得到表面修饰的聚酯多元醇。
制备接枝改性木纤维粉：a、选择3-10重量份粒径小于80μm的木纤维粉；b：配置A溶液：按体积比1：10-12将氨水和乙醇溶液混合制得A溶液；c、配置B溶液：按体积比1：6-9取一定量的硅酸四乙酯溶解于乙醇溶液中，制得B溶液；d、对木纤维粉进行接枝改性：将步骤c制备的A溶液与步骤b制备的A溶液混合，搅拌均匀并加热至55-65℃维持温度5-6min，制得改性溶液，e、将步骤a的木纤维粉加入改性溶液中，以5℃/min升温至120℃，保温2-5h，冷却至室温；f、将所得混合液置于65-85℃的烘箱中烘干，得到接枝二氧化硅的木纤维粉；g、将步骤f制得的接枝二氧化硅粒子的木纤维粉，加入乙醚溶解的硅烷偶联剂中，搅拌1-2h，将得到的固体于烘箱内80-100℃烘干，制得接枝改性木纤维粉。
制备表面改性碳纤维粉：碳纤维浸入pH为5～6的溶有乙酰水杨酸和四氢吡喃分子的溶液中，在55～60℃下超声波处理1～5min，表面形成共聚物层，洗涤、烘干后在密闭环境下加热至220-300℃2-5h，冷却至常温得到表面改性碳纤维粉。
表1-1为实施例1-6的配方，按照表1-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例1-6的改性建材。
Figure BDA0002452584510000051
表1-1。
表1-2为实施例7-12的配方，按照表1-2的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例7-12的改性建材。
Figure BDA0002452584510000052
Figure BDA0002452584510000061
表1-2。
表1-3为实施例13-18的配方，按照表1-3的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例13-18的改性建材。
Figure BDA0002452584510000062
表1-3。
表1-4为实施例19-24的配方，按照表1-4的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例19-24的改性建材。
Figure BDA0002452584510000071
表1-4。
表1-5为实施例25-30的配方，按照表1-5的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例25-30的改性建材。
Figure BDA0002452584510000072
表1-5。
第二部分：
除了木纤维粉、碳纤维粉采用普通市售的外，其他原料同第一部分的实施例1-30。
表2-1为实施例31-36的配方，按照表2-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例31-36的建材。
Figure BDA0002452584510000081
表2-1。
第三部分：
除了木纤维粉、碳纤维粉和异氰酸酯采用普通市售的外，其他原料同第一部分的实施例1-30。
表3-1为实施例37-42的配方，按照表3-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例37-42的建材。
Figure BDA0002452584510000082
Figure BDA0002452584510000091
表3-1。
第四部分：
除了木纤维粉、碳纤维粉和聚酯多元醇采用普通市售的外，其他原料同第一部分的实施例1-30。
表4-1为实施例43-48的配方，按照表4-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例43-48的建材。
Figure BDA0002452584510000092
表4-1。
第五部分：
除了木纤维粉、碳纤维粉和聚酯多元醇采用普通市售的外，其他原料同第一部分的实施例1-30。
表5-1为实施例49-54的配方，按照表5-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例49-54的建材。
Figure BDA0002452584510000101
表5-1。
第六部分：除了木纤维粉采用普通市售的外，其他原料同第一部分的实施例1-30。
表6-1为实施例55-60的配方，按照表6-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例55-60的建材。
Figure BDA0002452584510000102
Figure BDA0002452584510000111
表6-1。
第七部分：
除了以下改性异氰酸酯原料不同外，其他原料同第一部分，制备改性异氰酸酯：在100份聚合异氰酸酯(粗MDI)中加入2-5重量份数环氧树脂，加热至100-126℃，搅拌15-40min后，得到环氧树脂改性的异氰酸酯。
表7-1为实施例61-66的配方，按照表7-1的配方称取A料、B料和辅料，然后A料与辅料预先混合保持封闭状态，与B料通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得本发明实施例61-66的建材。
Figure BDA0002452584510000112
表7-1。
将以上实施例制备的建材进行性能测试，其中邵尔D硬度测试采用标准GB/T531.1-2008中的试验方法；拉伸强度和伸长率的测试采用GB/T 1040-2006中的试验方法；弯曲模量测试采用GB9341中的试验方法；导热系数的测试采用GB/T10294-2008中的试验方法；烟密度和氧指数的测试采用GB2406中的试验方法，闭孔率的测试采用的是GB/T10799-2008中的试验方法，吸水率的测试采用的是GB/T8810-2005中的试验方法。
实施例1-6的改性建材性能测试结果如表9-1：
Figure BDA0002452584510000121
表9-1。
实施例7-12的改性建材性能测试结果如表9-2：
Figure BDA0002452584510000122
9-2。
实施例13-18的改性建材性能测试结果如表9-3：
Figure BDA0002452584510000123
9-3。
实施例19-24的改性建材性能测试结果如表9-4：
Figure BDA0002452584510000131
9-4。
实施例25-30的改性建材性能测试结果如表9-5：
Figure BDA0002452584510000132
9-5。
实施例31-36的建材性能测试结果如表9-6：
Figure BDA0002452584510000133
9-6。
实施例37-42的建材性能测试结果如表9-7：
Figure BDA0002452584510000134
Figure BDA0002452584510000141
9-7。
实施例43-48的建材性能测试结果如表9-8：
Figure BDA0002452584510000142
表9-8。
实施例49-54的建材性能测试结果如表9-9：
Figure BDA0002452584510000143
表9-9。
实施例55-60的建材性能测试结果如表9-10：
Figure BDA0002452584510000144
Figure BDA0002452584510000151
表9-10。
实施例61-66的建材性能测试结果如表9-11：
Figure BDA0002452584510000152
9-11。
通过实施例1-30可以看出，本发明制备的改性建材在硬度、拉伸强度、伸长率、吸水性和导热系数方面具备明显的优势，通过实施例31-48和实施例55-60，可以得出，改性接枝改性木纤维粉和表面改性碳纤维粉可以明显提交建材的闭孔率，本发明的阻燃剂配方可以明显降低烟密度。
通过实施例37-54，可以得出，没有改性的表面修饰的聚酯多元醇或没有改性聚合异氰酸酯对弯曲模量、拉伸强度方面明显弱于处理过的聚酯多元醇和改性聚合异氰酸酯。
通过
通过实施例60-66，可以得到没有多次改性的异氰酸酯在拉伸强度、弯曲强度以及伸长率方面性能弱于多次改性的异氰酸酯。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种改性建材，包括如下配方的组分：50-80重量份的A料、100-300重量份的B料和17-44重量份的辅料，其中A料为表面修饰的聚酯多元醇，B料为改性聚合异氰酸酯，辅料包括：催化剂、发泡剂、增韧剂，其中改性聚合异氰酸酯的制备方法为：在100份聚合异氰酸酯中加入2-5重量份数环氧树脂，加热至100-126℃，搅拌15-40min后继续加入1-3重量份的软泡甘油聚醚维持温度搅拌1-3min，然后加入2-5重量份的碳化二亚胺搅拌2-5min，冷却后静置，得到103-110重量份数的改性异氰酸酯；在100重量份的聚酯多元醇中加入2-8重量份的壳聚糖和1-3重量份的丙烯腈，在温度85~95℃条件下超声波5-10min，反应完成后冷却至室温，得到表面修饰的聚酯多元醇。
2.根据权利要求1所述的改性建材，其特征在于：辅料还包括2--5重量份的色粉。
3.根据权利要求1所述的改性建材，其特征在于：增韧剂包括5-10重量份的木纤维粉。
4.根据权利要求3所述的改性建材，其特征在于：增韧剂包括5-10重量份的接枝改性木纤维粉，其中接枝改性木纤维粉的制备方法为：a、选择3-10重量份粒径小于80μm的木纤维粉；b：配置A溶液：按体积比1：10-12将氨水和乙醇溶液混合制得A溶液；c、配置B溶液：按体积比1：6-9取一定量的硅酸四乙酯溶解于乙醇溶液中，制得B溶液；d、对木纤维粉进行接枝改性：将步骤c制备的B溶液与步骤b制备的A溶液混合，搅拌均匀并加热至55-65℃维持温度5-6min，制得改性溶液；e、将步骤a的木纤维粉加入改性溶液中，以5℃/min升温至120℃，保温2-5h，冷却至室温；f、将所得混合液置于65-85℃的烘箱中烘干，得到接枝二氧化硅的木纤维粉；g、将步骤f制得的接枝二氧化硅粒子的木纤维粉，加入乙醚溶解的硅烷偶联剂中，搅拌1-2h，将得到的固体于烘箱内80-100℃烘干，制得接枝改性木纤维粉。
5.根据权利要求1所述的改性建材，其特征在于：增韧剂包括2-6重量份的碳纤维粉。
6.根据权利要求5所述的改性建材，其特征在于：增韧剂包括2-6重量份的粒径6-50μm表面改性碳纤维粉，其制备方法为：碳纤维浸入pH为5～6的溶有乙酰水杨酸和四氢吡喃分子的溶液中，在55～60℃下超声波处理1～5min，表面形成共聚物层，洗涤、烘干后在密闭环境下加热至220-300℃2-5h，冷却至常温得到表面改性碳纤维粉。
7.一种权利要求1-6任一项所述的改性建材的制备方法，包括如下步骤：A料与辅料按比例预先混合保持封闭状态；生产时再与B料按比例通过聚氨酯PU计量发泡设备混合后注入模具经过起发、乳白和熟化过程发泡成型，制得改性建材。
8.根据权利要求7所述的改性建材的制备方法，其特征在于：模具里面预埋钢结构铁件、石材、杂木、水泥板及其他无机材料板、注入A/B组合料后会聚合反应复合成型。
9.根据权利要求7所述的改性建材的制备方法，其特征在于：混合后起发时间：5-25秒；乳白时间：10-25秒；熟化时间：5-20/分钟。
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