CN113248681B - 一种低密度高强度的聚氨酯泡沫及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低密度高强度的聚氨酯泡沫及其制备方法和用途，属于高分子材料领域。该聚氨酯泡沫是由以下重量配比的组分制备而成：多元醇80～120份，扩链剂3～10份，发泡剂1～5份，胺类催化剂1～6份，凝胶催化剂0.1～1.5份，表面活性剂2～8份，异氰酸酯40～150份。本发明制备得到一种综合力学性能优良的聚氨酯泡沫，其克服了韧性和强度不可兼得的问题；同时，该泡沫在综合力学性能优良的情况下内部泡孔结构良好，表观密度低，自重小，更加便于使用。本发明聚氨酯泡沫具有自重小、韧性好、强度高的特点，性能优异。此外，本发明聚氨酯泡沫制备方法绿色环保。该聚氨酯泡沫可用于制备在家具、交通运输、制冷保温、建筑施工等领域使用的材料，具有广阔的应用前景。

Description

一种低密度高强度的聚氨酯泡沫及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于高分子材料领域，具体涉及一种低密度高强度的聚氨酯泡沫及其制备方法和用途。
背景技术
聚氨酯是指分子主链包含有大量并重复氨基甲酸酯基团(-NHCOO-)的一类化合物，其是通过将异氰酸酯和聚酯或聚醚多元醇进行缩聚反应得到。聚氨酯泡沫独特的链段结构、链段间微相分离结构和宏观的泡孔结构，使其兼具良好的物理化学性质，如尺寸稳定性好、比强度高、耐化学性能较好、热导率低、可以抗冲减振和吸声隔声等特点。因此聚氨酯泡沫成为用途最广的高分子材料之一，广泛应用于家具、交通运输、制冷保温、建筑施工等领域。
在聚氨酯发泡体系中，聚氨酯泡沫材料组成成分多种多样，包括聚醚/聚酯多元醇、异氰酸酯、水、催化剂、泡沫稳定剂及其他助剂，而这些组分对聚氨酯泡沫的发泡行为、泡孔结构、物理机械性能等有着至关重要的影响。
自重小、力学性能优异的聚氨酯泡沫有利于实际应用。但是，要同时得到自重小、综合性能优异的聚氨酯泡沫往往比较困难。比如：添加固体粒子是改善聚氨酯泡沫的压缩性能最有效的方式，但固体粒子的引入往往会导致泡沫的表观密度增加、拉伸强度下降和发泡困难等问题；而降低体系的交联度、选用长链聚醚多元醇是最有效的改善聚氨酯泡沫断裂伸长率的方法，但该方法会导致聚氨酯泡沫的拉伸强度和压缩强度降低。因此，聚氨酯泡沫低密度、韧性和强度往往不可兼得，聚氨酯泡沫性能间的制约问题极大地限制了聚氨酯泡沫的应用。
因此，需要研究一种新的聚氨酯泡沫，此聚氨酯泡沫应既具有较低的密度，自重小，又具有优异的综合力学性能，且发泡过程和条件易于控制，泡孔结构均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种低密度高强度的聚氨酯泡沫及其制备方法和用途。
本发明提供了一种低密度高强度的聚氨酯泡沫，它是由以下重量配比的组分制备而成：多元醇80～120份，扩链剂3～10份，发泡剂1～5份，胺类催化剂1～6份，凝胶催化剂0.1～1.5份，表面活性剂2～8份，异氰酸酯40～150份。
进一步地，前述的聚氨酯泡沫是由以下重量配比的组分制备而成：多元醇100份，扩链剂4份，发泡剂2份，胺类催化剂2份，凝胶催化剂0.3份，表面活性剂3份，异氰酸酯80份。
进一步地，所述多元醇选自聚醚多元醇或/和聚酯多元醇；和/或，所述异氰酸酯选自二苯基甲烷二异氰酸酯、多亚甲基多苯基多异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯、异氟尔酮二异氰酸酯中的任一种或多种。
进一步地，所述聚醚多元醇的结构为
Figure BDA0003081727250000021
分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g；和/或，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯或者由二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基多异氰酸酯组成；优选地，所述二苯基甲烷二异氰酸酯和多亚甲基多苯基多异氰酸酯的摩尔比为1:1。
进一步地，所述扩链剂选自乙二醇、丁二醇或一缩二乙二醇中的一种或多种。
进一步地，所述扩链剂选自乙二醇。
进一步地，所述发泡剂为H2O；和/或，所述胺类催化剂由33wt％的三亚乙基二胺与67wt％的一缩二丙二醇组成；和/或，所述凝胶催化剂为二月桂酸二丁基锡；和/或，所述表面活性剂为硅油。
进一步地，所述表面活性剂为硅油DC193。
本发明还提供了一种制备前述的聚氨酯泡沫的方法，它包括如下步骤：
(1)按重量配比称取各组分；
(2)将多元醇、扩链剂、发泡剂、胺类催化剂、凝胶催化剂和表面活性剂混合，搅拌均匀，得混合物；
(3)将异氰酸酯加入步骤(2)的混合物中，搅拌均匀；
(4)将步骤(3)搅拌好的原料倒入模具中进行发泡，发泡结束后固化，即得。
进一步地，步骤(2)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为30～60s；和/或，步骤(3)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；和/或，步骤(4)中，所述发泡时间为≤2min；和/或，步骤(4)中，固化为室温固化24h。
本发明还提供了前述的聚氨酯泡沫在制备家具、交通运输、制冷保温、建筑施工等领域使用的材料中的用途；
优选地，所述材料为汽车内饰件、减震缓冲材料、包装材料、吸音材料。
本发明中，室温为25±5℃。
综上，本发明制备得到一种综合力学性能优良的聚氨酯泡沫，其克服了韧性和强度不可兼得的问题；同时，该聚氨酯泡沫在综合力学性能优良的情况下内部泡孔结构良好，表观密度低，自重小，更加便于使用。本发明聚氨酯泡沫具有自重小、韧性好、强度高的特点，性能优异。此外，本发明聚氨酯泡沫制备方法绿色环保。该聚氨酯泡沫可用于制备在家具、交通运输、制冷保温、建筑施工等领域使用的材料，具有广阔的应用前景。
显然，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例。凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
附图说明
图1为各组聚氨酯泡沫的泡孔形貌图。
具体实施方式
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。
实施例1、本发明低密度高强度聚氨酯泡沫的制备
1、原料配方
Figure BDA0003081727250000031
其中，聚醚多元醇的结构式为
Figure BDA0003081727250000041
(分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g)。
2、制备方法
按原料配方中的重量称取各原料，并将A组份混合，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；搅拌均匀后，将B组份迅速倒入A组份中，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；将搅拌好的原料浇注入内侧铺有聚乙烯膜的模具中，自由发泡≤2min，发泡结束后，室温固化24h，得到低密度高强度聚氨酯泡沫，命名为PUF1-EG。
实施例2、本发明低密度高强度聚氨酯泡沫的制备
1、原料配方
Figure BDA0003081727250000042
其中，聚醚多元醇的结构式为
Figure BDA0003081727250000043
(分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g)。
2、制备方法
按原料配方中的重量称取各原料，并将A组份混合，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；搅拌均匀后，将B组份迅速倒入A组份中，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；将搅拌好的原料浇注入内侧铺有聚乙烯膜的模具中，自由发泡≤2min，发泡结束后，室温固化24h，得到低密度高强度聚氨酯泡沫，命名为PUF2-EG。
实施例3、本发明低密度高强度聚氨酯泡沫的制备
1、原料配方
Figure BDA0003081727250000051
其中，聚醚多元醇的结构式为
Figure BDA0003081727250000052
(分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g)。
2、制备方法
按原料配方中的重量称取各原料，并将A组份混合，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；搅拌均匀后，将B组份迅速倒入A组份中，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；将搅拌好的原料浇注入内侧铺有聚乙烯膜的模具中，自由发泡≤2min，发泡结束后，室温固化24h，得到低密度高强度聚氨酯泡沫，命名为PUF3-EG。
实施例4、本发明低密度高强度聚氨酯泡沫的制备
1、原料配方
Figure BDA0003081727250000061
/>
其中，聚醚多元醇的结构式为
Figure BDA0003081727250000062
(分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g)。
2、制备方法
按原料配方中的重量称取各原料，并将A组份混合，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；搅拌均匀后，将B组份迅速倒入A组份中，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；将搅拌好的原料浇注入内侧铺有聚乙烯膜的模具中，自由发泡≤2min，发泡结束后，室温固化24h，得到低密度高强度聚氨酯泡沫，命名为PUF1-BDO。
实施例5、本发明低密度高强度聚氨酯泡沫的制备
1、原料配方
Figure BDA0003081727250000063
其中，聚醚多元醇的结构式为
Figure BDA0003081727250000071
(分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g)。
2、制备方法
按原料配方中的重量称取各原料，并将A组份混合，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；搅拌均匀后，将B组份迅速倒入A组份中，高速机械搅拌，搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；将搅拌好的原料浇注入内侧铺有聚乙烯膜的模具中，自由发泡≤2min，发泡结束后，室温固化24h，得到低密度高强度聚氨酯泡沫，命名为PUF1-DEG。
以下通过试验例来说明本发明的有益效果。
试验例1、低密度高强度聚氨酯泡沫的形貌和密度表征测试
1、试验方法
取实施例1～5的低密度高强度聚氨酯泡沫，利用扫描电子显微镜观察各组聚氨酯泡沫的泡孔形貌；参照GB/T 6343-2009《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》方法测各组聚氨酯泡沫的表观密度。
2、试验结果
各组聚氨酯泡沫的泡孔形貌如图1所示；各组聚氨酯泡沫的表观密度如表1所示。
表1.各组聚氨酯泡沫的表观密度
组别 表观密度(kg/m<sup>3</sup>)
实施例1(PUF1-EG) 49.0±0.7
实施例2(PUF2-EG) 50.3±0.7
实施例3(PUF3-EG) 61.5±2.0
实施例4(PUF1-BDO) 49.2±0.7
实施例5(PUF1-DEG) 56.4±0.7
图1为各组聚氨酯泡沫的泡孔形貌图。PUF1-EG(258.1μm)和PUF2-EG(252.7μm)的泡孔平均直径相近，大于PUF3-EG的泡孔平均直径(226.8μm)的泡孔直径。PUF1-BDO和PUF1-DEG的泡孔直径(约235μm)比PUF1-EG(258.1μm)略小，由图1可知，PUF1-DEG泡孔的均匀性较PUF1-EG和PUF1-BDO差。
由表1可知：PUF1-EG和PUF1-BDO的表观密度与其他聚氨酯泡沫相比，表观密度更低，说明其自重小，这极大程度地降低运输过程中的载荷和生产成本，有利于实际使用。
试验例2、低密度高强度聚氨酯泡沫的力学性能测试
1、试验方法
取实施例1～5的低密度高强度聚氨酯泡沫，按照GB/T 6344-2008《软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂伸长率的测定》，拉伸速率为500mm/min；参照GB/T 10808-2006《高聚物多孔弹性材料撕裂强度测试》，撕裂试样尺寸25mm×25mm×85mm，撕裂速率50mm/min；参照GB/T 8813-2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》，压缩试样尺寸30mm×30mm×30mm，压缩速率为3mm/min等方法测各组聚氨酯泡沫的拉伸强度、撕裂强度、压缩强度和断裂伸长率。
2、试验结果
各组聚氨酯泡沫的力学性能测试结果如表2所示。
表2.各组聚氨酯泡沫的力学性能测试结果
组别 拉伸强度(MPa) 撕裂强度(N/m) 压缩强度(MPa) 断裂伸长率(％)
实施例1(PUF1-EG) 0.231±0.011 3.89±0.12 0.027±0.0009 113.5±6.0
实施例2(PUF2-EG) 0.099±0.006 1.05±0.03 0.0129±0.0003 78.1±4.3
实施例3(PUF3-EG) 0.043±0.001 0.53±0.04 0.0125±0.0001 36.1±1.0
实施例4(PUF1-BDO) 0.172±0.005 2.48±0.05 0.0173±0.0003 105.4±3.4
实施例5(PUF1-DEG) 0.204±0.007 3.53±0.10 0.0243±0.0004 88.4±2.7
对于多孔材料而言，高的表观密度有利于提高力学强度；同时，韧性和强度往往不可兼得。然而，本申请聚氨酯泡沫中，PUF3-EG虽然具有较高的表观密度，但整体力学性能较其他组聚氨酯泡沫更差。而PUF1-EG在更低的表观密度下，拉伸强度、撕裂强度、压缩强度和断裂伸长率反而同时显著提高。即该聚氨酯泡沫在低表观密度下，综合力学性能显著提高，韧性和强度均十分优异，取得了更好的效果，有利于聚氨酯泡沫的应用。
综上，本发明制备得到一种综合力学性能优良的聚氨酯泡沫，其克服了韧性和强度不可兼得的问题；同时，该聚氨酯泡沫在综合力学性能优良的情况下内部泡孔结构良好，表观密度低，自重小，更加便于使用。本发明聚氨酯泡沫具有自重小、韧性好、强度高的特点，性能优异。此外，本发明聚氨酯泡沫制备方法绿色环保。该聚氨酯泡沫可用于制备在家具、交通运输、制冷保温、建筑施工等领域使用的材料，具有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种低密度高强度的聚氨酯泡沫，其特征在于：它是由以下重量配比的组分制备而成：多元醇100份，扩链剂4份，发泡剂2份，胺类催化剂2份，凝胶催化剂0.3份，表面活性剂3份，异氰酸酯80份；
所述多元醇为聚醚多元醇；
所述聚醚多元醇的结构为
Figure FDA0004086727530000011
分子量为4000，羟值27～29mgKOH/g；
所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯；
所述扩链剂选自乙二醇；
所述发泡剂为H2O；所述胺类催化剂由33wt％的三亚乙基二胺与67wt％的一缩二丙二醇组成；所述凝胶催化剂为二月桂酸二丁基锡；所述表面活性剂为硅油DC193；
所述聚氨酯泡沫的制备方法包括如下步骤：
(1)按重量配比称取各组分；
(2)将多元醇、扩链剂、发泡剂、胺类催化剂、凝胶催化剂和表面活性剂混合，搅拌均匀，得混合物；
(3)将异氰酸酯加入步骤(2)的混合物中，搅拌均匀；
(4)将步骤(3)搅拌好的原料倒入模具中进行发泡，发泡结束后固化，即得；
步骤(2)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；步骤(3)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；步骤(4)中，所述发泡时间为≤2min；步骤(4)中，固化为室温固化24h。
2.一种制备权利要求1所述的聚氨酯泡沫的方法，其特征在于：它包括如下步骤：
(1)按重量配比称取各组分；
(2)将多元醇、扩链剂、发泡剂、胺类催化剂、凝胶催化剂和表面活性剂混合，搅拌均匀，得混合物；
(3)将异氰酸酯加入步骤(2)的混合物中，搅拌均匀；
(4)将步骤(3)搅拌好的原料倒入模具中进行发泡，发泡结束后固化，即得；
步骤(2)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为60s；步骤(3)中，所述搅拌的搅拌速度为≥2000r/min，搅拌时间为10～15s；步骤(4)中，所述发泡时间为≤2min；步骤(4)中，固化为室温固化24h。
3.权利要求1所述的聚氨酯泡沫在制备家具、交通运输、制冷保温、建筑施工领域使用的材料中的用途。
4.根据权利要求3所述的用途，其特征在于：所述材料为汽车内饰件、减震缓冲材料、包装材料、吸音材料。
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