CN114133759A

CN114133759A - 一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料及其制备方法和应用

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Publication number: CN114133759A
Application number: CN202111632454.7A
Authority: CN
Inventors: 陈天宁; 朱建; 张钧哲; 辛锋先; 丁伟
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-12-28
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2022-03-04
Anticipated expiration: 2041-12-28
Also published as: CN114133759B

Abstract

本发明公开了一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料及其制备方法和应用，属于减振吸能、隔热保温及吸声降噪技术领域。该轻质多功能复合材料以软木颗粒为主要原料，以聚氨酯为发泡剂，按照不同体积份数，辅以搅拌、加热及静置工艺，再通过恒温箱高温熏蒸，使软木颗粒膨胀释放天然的树脂增强软木颗粒和聚氨酯的黏合效果，从而制备得到一系列聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料。通过软木颗粒和聚氨酯之间的协同作用，使得该多功能复合材料在减振吸能、隔热保温及吸声降噪方面均有较好的性能。本发明提供的制备方法工艺简单并易于调控，可以实现多种多功能材料的制备，加工过程无需特殊加工设备，成本低，有工业推广应用意义。

Description

一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于减振吸能、隔热保温及吸声降噪技术领域，具体涉及一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

聚氨酯是在大分子主链中含有氨基甲酸酯基的聚合物，称为聚氨基甲酸酯。聚氨酯中含有大量静态空气，因此具有较低的导热系数，使之成为汽车、冰箱、房屋等中常用的隔热保温材料。聚氨脂类的材料可以与食用的产品直接接触，不会对人体有任何的伤害，是一种安全的粘结剂。

软木取自橡树的树皮，本身不含甲醛等有害化学成分，无有毒气味，通过设备高温熏蒸，可使软木颗粒膨胀释放天然树脂，能够直接起到黏合效果，是一种可再生的环保材料。软木具有很好的抗高温和阻燃性能，根据相关检测，软木的氧指数为26，远远高于一般装饰材料的防火要求。软木微观组织由横断面为六棱柱体的木栓细胞呈蜂窝状排列组成，这种特殊的结构使得软木具有密度低、弹性高、导热系数低、绝热、吸振、吸声、隔水、耐磨等优异性能，其产品在火箭、导弹、航天、核潜艇等尖端领域已被使用。

但是，研究表明，聚氨酯吸声频带较窄，力学性能不佳，软木颗粒发泡制成多孔材料难度较大。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料及其制备方法和应用，为了解决聚氨酯吸声频带较窄，力学性能不佳，软木颗粒发泡制成多孔材料难度较大的问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料，以体积份数计，包括软木颗粒60～90份，聚氨酯黑料5～20份和聚氨酯白料5～20份。

优选地，所述聚氨酯黑料官能度为2.6～2.7，粘度170～250cps，密度1.1～1.2g/cm³，NCO含量30.0％～32.0％；

所述聚氨酯白料粘度100～300cps，密度1.0～1.2g/cm³。

本发明还公开了一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)由橡树树皮制成软木颗粒，筛选出粒径为0.1～6mm的软木颗粒，进行清洗；

2)对软木颗粒进行热处理，然后与聚氨酯A混合，搅拌，得到混合物料；

3)将聚氨酯B加入混合物料中，搅拌、静置、初步固化，得到软木复合材料；

4)对软木复合材料进行高温热处理，彻底固化，得到聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料。

优选地，步骤2)中，当聚氨酯A为聚氨酯黑料时，步骤3)中聚氨酯B为聚氨酯白料，当聚氨酯A为聚氨酯白料时，步骤3)中聚氨酯B为聚氨酯黑料。

优选地，步骤2)中，热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，热处理温度为80～120℃，热处理时间为3～24h。

优选地，步骤2)中，热处理后的软木颗粒表面温度不低于35℃。

优选地，步骤3)中，静置时间为10～120min，初步固化温度为25～45℃，初步固化时间为10～40min。

优选地，步骤4)中，高温热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，高温热处理温度为120～160℃，高温热处理时间为6～12h。

优选地，步骤4)中，彻底固化时间不低于12h。

本发明还公开了上述聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料在建筑领域装饰材料中的应用。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料，其原材料是软木颗粒、聚氨酯黑料和聚氨酯白料，使用原料均为环保材料，制备和使用过程中不会产生刺激气味，不会危害人体健康；通过控制软木颗粒的份数为60～90份，一是可防止聚氨酯黑料、聚氨酯白料份数过少，会导致发泡不均匀，发泡效果不佳；二是防止聚氨酯份数过多，会导致发泡以闭孔为主，吸声效果不佳以及软木颗粒过少减振、隔振和吸能特性表现不佳。通过控制聚氨酯黑料、聚氨酯白料的体积份数可以达到控制多功能复合材料的减振频段及效果。通过聚氨酯与软木颗粒的协同作用，克服了软木颗粒发泡制成多孔材料难度较大的问题，增强了聚氨酯的力学性能，提升了聚氨酯的吸声降噪性能；利用聚氨酯本身具有的粘结性，增强了软木颗粒之间的连接；通过软木颗粒与聚氨酯的协同作用，提升了聚氨酯在隔热保温方面的性能。

本发明还公开了聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，该制备方法工艺简单并易于调控，可以实现多功能材料的制备，加工过程无需特殊加工设备，成本低，有工业推广应用意义。

进一步地，所述热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，热处理温度80～110℃，一是保证软木颗粒表面温度不低于35℃，二是杀菌消毒，三是干燥软木颗粒，以提升聚氨酯黑料与软木颗粒的附着效果。

进一步地，所述的软木颗粒表面温度不低于35℃，可以保证软木颗粒和聚氨酯黑料在充分搅拌混合后，软木颗粒表面附着的聚氨酯温度不低于30℃。

进一步地，所述高温热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，温度120～160℃，一是促使软木颗粒膨胀释放天然的树脂，增强软木颗粒和聚氨酯的黏合效果；二是除去搅拌过程中加入的水或酒精；三是水或酒精在加热气化后排出的过程中可以促进通孔的产生。

本发明公开的聚氨酯和软木颗粒制成的多功能复合材料应用在建筑领域的装饰材料上，可以起到保温、吸声和隔声的作用。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的多功能复合材料A的表面实拍图；

图2为本发明实施例2得到的多功能复合材料B的表面实拍图；

图3为本发明实施例3得到的多功能复合材料C的表面实拍图；

图4为本发明实施例4得到的多功能复合材料D的表面实拍图；

图5为本发明实施例5得到的多功能复合材料E的表面实拍图；

图6为本发明实施例6得到的多功能复合材料F的断面实拍图；

图7为本发明实施例7得到的多功能复合材料G的断面实拍图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例中聚氨酯黑料以异氰酸酯为主，是含有较高官能度的异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物，聚氨酯黑料官能度为2.6～2.7，室温下为深棕色液体，粘度170～250cps，密度1.1～1.2g/cm³，NCO含量30.0％～32.0％；聚氨酯白料以组合聚醚为主，还包括匀泡剂、交联剂、催化剂、发泡剂等多种组份，室温下为棕黄色粘稠液体，粘度100～300cps，密度1.0～1.2g/cm³；软木颗粒由橡树树皮经过软木工艺精选而成。

本发明实施例中的聚氨酯黑料、聚氨酯白料型号为F191，均购买自福州进生工贸有限公司。

实施例1

1)用4目和6目的标准筛筛选粒径为3.4～4.8mm的软木颗粒，清洗，软木颗粒长期所处环境湿度60.6％RH；

2)取上述软木颗粒83.4份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为120℃，热处理10h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度43.4℃，在模具内加入8.3份聚氨酯黑料，充分搅拌混合，搅拌时间5min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯黑料，得到混合物料，测量表面温度34.3℃，环境温度26.4℃；

4)取8.3份聚氨酯白料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌2min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度55.6℃，加入6mL酒精，继续搅拌5min，测量混合物表面温度34.3℃，静置40min后，测量混合物表面温度29.5℃；等待发泡结束，初步固化温度为28.6℃，初步固化20min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为150℃，高温热处理12h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化12h，得到多功能复合材料A，测量复合材料表面温度27.2℃，室温27.1℃。

如图1所示为多功能复合材料A表面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒表面上附着少量聚氨酯，且聚氨酯呈液滴状，没有明显的孔隙，以闭孔为主，颗粒与颗粒之间缝隙较大。

实施例2

1)用4目和6目的标准筛筛选粒径为3.4～4.8mm的软木颗粒，清洗，软木颗粒长期环境湿度61.6％RH；

2)取上述软木颗粒85.7份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为120℃，热处理10h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度45.4℃，在模具内加入5.7份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌10min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度35.3℃，环境温度26.4℃；

4)取18.6份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌2min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度49.6℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度36.2℃，静置40min后，测量混合物表面温度29.5℃；等待发泡结束，初步固化温度为29.3℃，初步固化40min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的软木复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为160℃，高温热处理12h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化24h，得到多功能复合材料B，测量表面温度27.1℃，和室温27.1℃相同。

如图2所示为多功能复合材料B表面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒分布均匀，颗粒与聚氨酯之间存在缝隙，聚氨酯本身有较多孔隙，且以开孔为主。

实施例3

1)用16目和20目的标准筛筛选粒径为0.8～1.2mm的软木颗粒，清洗，软木颗粒长期环境湿度63.2％RH；

2)取上述软木颗粒82.8份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为110℃，热处理4h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度56.4℃，在模具内加入8.6份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌20min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度33.3℃，环境温度25.4℃；

4)取8.6份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌10min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度51.6℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度43.6℃，静置40min后，测量混合物表面温度28.8℃；等待发泡结束，初步固化温度为27.9℃，初步固化30min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的软木复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为130℃，高温热处理8h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化24h，得到多功能复合材料C，测量表面温度27.2℃，接近室温27.1℃。

如图3所示为多功能复合材料C表面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒和聚氨酯结合紧密，颜色上以软木颗粒的颜色为主，颗粒之间粘结效应明显，互相形成大颗粒。

实施例4

1)用10目和16目标准筛筛选出粒径为1.2～2.0mm的软木颗粒，清洗，软木颗粒长期环境湿度63.2％RH；

3)测量软木颗粒表面温度55.4℃，在模具内加入8.6份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌18min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度45.6℃，环境温度25.4℃；

4)取8.6份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌8min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度52.7℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度42.6℃，静置40min后，测量混合物表面温度27.9℃；等待发泡结束，初步固化温度为27.4℃，初步固化10min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的软木复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为140℃，高温热处理10h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化12h，得到多功能复合材料D，测量表面温度27.2℃，接近室温27.3℃。

如图4所示为多功能复合材料D表面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒与聚氨酯结合紧密，整体表面粗糙度较高，有软木颗粒与聚氨酯共同形成的团簇大颗粒，有明显的大孔隙存在。

实施例5

1)用6目和10目的标准筛筛选出粒径为2.0～3.4mm的软木颗粒，清洗，软木颗粒长期环境湿度63.2％RH；

2)取上述软木颗粒82.8份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为110℃，热处理8h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度46.4℃，在模具内加入8.6份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌10min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度30.3℃，环境温度25.4℃；

4)取8.6份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌8min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度55.6℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度47.6℃，静置40min后，测量混合物表面温度29.1℃；等待发泡结束，初步固化温度为28.4℃，初步固化15min；

6)在产品架上静置彻底固化12h，得到多功能复合材料E，测量表面温度27.2℃，接近室温27.1℃。

如图5所示为多功能复合材料E表面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒与聚氨酯紧密连接，软木颗粒依然清晰可见，整体以聚氨酯颜色为主，颗粒与颗粒之间孔隙较小，聚氨酯以开孔为主。

实施例6

1)用40目和100目标准筛筛选出粒径为0.15～0.43mm的软木颗粒，软木颗粒长期环境湿度52.8％RH；

2)取上述软木颗粒65.2份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为110℃，热处理6h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度48.4℃，在模具内加入17.4份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌20min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度30.3℃，环境温度21.4℃；

4)取17.4份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌15min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度52.6℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度47.6℃，静置40min后，测量混合物表面温度28.5℃；等待发泡结束，初步固化温度为28.1℃，初步固化15min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的软木复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为160℃，高温热处理6h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化12h以上，得到多功能复合材料F，测量表面温度21.2℃，接近室温21.1℃。

如图6所示为多功能复合材料F断面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒已经基本看不到，整体颜色以聚氨酯颜色为主，软木颗粒促使聚氨酯内部呈现多个量级的孔隙，包括毫米、微米级孔隙。

实施例7

1)用100目标准筛筛选出粒径小于0.15mm的软木颗粒，软木颗粒长期环境湿度52.8％RH；

2)取上述软木颗粒68.2份，平铺在模具中并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行热处理，温度设置为110℃，热处理3h后取出软木颗粒；

3)测量软木颗粒表面温度46.4℃，在模具内加入15.9份聚氨酯白料，充分搅拌混合，搅拌15min，保证软木颗粒表面都附着有聚氨酯白料，得到混合物料，测量表面温度27.3℃，环境温度21.4℃；

4)取15.9份聚氨酯黑料倒入模具内，快速充分搅拌，搅拌8min，搅拌过程有放热现象，测量混合物表面温度45.6℃，继续搅拌5min，测量混合物表面温度42.6℃，静置30min后，测量混合物表面温度26.5℃；等待发泡结束，初步固化温度为25.3℃，初步固化10min；

5)初步固化结束后将模具取出，将得到的软木复合材料放入加热盘并放置在功率为2000W的电热恒温干燥箱内进行高温热处理，温度设置为160℃，高温热处理8h后取出；

6)在产品架上静置彻底固化12h以上，得到多功能复合材料G，测量表面温度21.2℃，接近室温21.1℃。

如图7所示为多功能复合材料G断面实拍照片。从图中可以看出软木颗粒与聚氨酯结合很好，看不出明显的软木颗粒，整体颜色以软木颜色为主，孔隙存在多种类型，有闭孔，半闭孔和开孔，以开孔为主。

实施例1-7得到的多功能复合材料测试说明：

减振性能测试，将多功能复合材料裁切为30mm*30mm*30mm的试件，测量其弹性系数。

采用瞬态平面热源法，测量了多功能复合材料25℃，70℃，100℃时的导热系数范围：0.008～0.094W/(m·k)。

吸声、隔声测试，测试设备：B&K阻抗管；频率范围：500～6400Hz；样件：直径为29mm，厚度为30mm的圆柱形试件。

表1实施例1-7得到的多功能复合材料的各项技术、性能特性表

从表1性能测试中可以看得出，本发明聚氨酯和软木颗粒制成的多功能复合材料在减振吸能、隔热保温及吸声降噪技术领域均具有较好的性能，不同的颗粒大小、配比等直接决定其性能。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims

1.一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料，其特征在于，以体积份数计，包括软木颗粒60～90份，聚氨酯黑料5～20份和聚氨酯白料5～20份。

2.根据权利要求1所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料，其特征在于，所述聚氨酯黑料官能度为2.6～2.7，粘度170～250cps，密度1.1～1.2g/cm³，NCO含量30.0％～32.0％；

所述聚氨酯白料粘度100～300cps，密度1.0～1.2g/cm³。

3.一种聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，当聚氨酯A为聚氨酯黑料时，步骤3)中聚氨酯B为聚氨酯白料，当聚氨酯A为聚氨酯白料时，步骤3)中聚氨酯B为聚氨酯黑料。

5.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，热处理温度为80～120℃，热处理时间为3～24h。

6.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，热处理后的软木颗粒表面温度不低于35℃。

7.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，静置时间为10～120min，初步固化温度为25～45℃，初步固化时间为10～40min。

8.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，高温热处理为常压烘干、真空烘干或高温蒸汽烘干，高温热处理温度为120～160℃，高温热处理时间为6～12h。

9.根据权利要求3所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)中，彻底固化时间不低于12h。

10.权利要求1或2所述的聚氨酯和软木颗粒制成的轻质多功能复合材料在建筑领域装饰材料中的应用。