CN117735943A - 一种puc复合材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种PUC复合材料及其制备方法，包括陶粒和聚氨酯混合物，陶粒与聚氨酯混合物的投入比例为0.1‑0.9:0.9‑0.1，聚氨酯混合物包括第一组分和第二组分，第一组分的重量份包括：多元醇30～60份、阻燃剂10～40份、发泡剂1～5份、泡沫稳定剂1～2份、扩链剂1～5份、硅酸盐10～20份、催化剂0.1～0.3份；第二组分的重量份包括:多异氰酸酯90～140份。本发明的PUC复合材料具有制备速度快、隔热保温性能好、质量轻、粘结料可分解、骨料可以重复利用的优点，同时硅酸盐的加入使得PUC复合材料的防火等级能达到A2级，其用于预制构件中可代替传统混凝土预制构件。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种PUC复合材料及其制备方法。
背景技术
预制装配式建筑，简称PC建筑，是一种建筑方式，将传统建造模式下的大量现场工作转移到工厂，加工制造建筑用构件和配件并运送至建筑工地，并以可靠的连接方法在工地上进行组装安装。它具有标准化设计、工厂化生产、施工、管理信息化和智能化等特点。但目前，PC建筑的生产已经很难满足顾客的个性化要求，且人们越来越重视对材料的选择和使用。传统的PC结构建筑，主要选用各种标号水泥，按照标准加入砂石骨料，再加一定比例的水，搅拌均匀后灌入模板成型，成型后的PC结构件还要通过28天的养护以使强度达到使用标准，同时PC构件还存在质量大，保温性差、无法被分解、无法回收再利用、易对环境造成污染等问题。因此，为解决上述PC构件存在的问题，发明人提出了一种PUC复合材料，以聚氨酯为粘结剂，用PU表示，以陶粒为骨料，用C表示，两者混合生成PUC复合材料，以PUC复合材料制作的构件可以有效解决传统PC构件存在的问题，同时PUC复合材料消除了传统聚氨酯复合材料防火性差的问题。
发明内容
本发明提出了一种PUC复合材料及其制备方法，旨在解决PC构件存在的质量大、保温性差、无法分解、易对环境造成污染等技术问题，同时消除传统聚氨酯复合材料防火性差的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。本发明提出了一种PUC复合材料，包括陶粒和聚氨酯混合物所述陶粒与聚氨酯混合物的投入比例为0.1-0.9:0.9-0.1，所述聚氨酯混合物包括第一组分和第二组分，所述第一组分的重量份包括：多元醇30～60份、阻燃剂10～40份、发泡剂1～5份、泡沫稳定剂1～2份、扩链剂1～5份、硅酸盐10～20份、催化剂0.1～0.3份；所述第二组分的重量份包括：多异氰酸酯90～140份。
优选的，所述陶粒由粉煤灰、黏土、页岩、煤矸石、生物污泥或河底泥中的一种或两种及以上烧制而成，烧制温度为800℃～1200℃，所述陶粒的颗粒直径范围为3mm～90mm，陶粒的筒压强度≥5.5MPa，含水量≤5％，容重为每立方米250～600公斤，陶粒颗粒中的孔隙为微小闭孔。
优选的，所述多元醇是聚乙二醇醚、聚丙二醇醚、聚丙三醇醚、聚季戊四醇醚或聚四氢呋喃醚二醇中的一种或两种及以上；所述多异氰酸酯是TDI、MDl、IPDI、HDI、PAPI、二异氰酸酯或三异氰酸酯中的一种或两种及以上。
优选的，所述阻燃剂是TCEP、TCPP、APP中的一种或两种及以上，所述发泡剂是HFO-1336mzz、HFC-134a、HCFC-141b中的一种或两种及以上，所述泡沫稳定剂是AK8803、AK8805、AK8863、B8443、B8462中的一种或两种及以上，所述扩链剂是甘油、二甘醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇中的一种或两种及以上，所述硅酸盐是硅酸钠、硅微粉和白炭黑中的一种或两种及以上，所述催化剂是A33、DMAEE、三乙胺、三乙醇胺、DMEA中的一种或两种及以上。
优选的，所述聚氨酯混合物的第一组分与第二组分的重量比为1:1～1:1.5，第一组分与第二组分混合后的发泡率为5～20倍，阻燃系数为B1级以上，聚氨酯混合物的溶质重量为每立方30～45公斤，聚氨酯混合物的粘合力≥1MPa；第一组分和第二组分的反应时间在5～60秒，反应温度小于150℃。
本发明还提出一种PUC复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备第一搅拌容器，分别按重量份称取第一组分中的多元醇、阻燃剂、发泡剂、泡沫稳定剂、扩链剂、硅酸盐、催化剂，将多元醇、阻燃剂、发泡剂、泡沫稳定剂、扩链剂、硅酸盐、催化剂倒入第一搅拌容器中并保持25～35℃均匀搅拌，得到第一预料；
S2、准备第二搅拌容器，按重量分称取第二组分中的多异氰酸酯，将多异氰酸酯倒入第二搅拌容器中保持25～35℃的温度搅拌均匀得到第二预料；
S3、将S1制得的第一预料通过进料管道一送至喷枪容室处，将S2制得的第二预料通过进料管道二送至喷枪容室处，第一预料与第二预料在喷枪容室进行混合，两条管道及容室的温度均保持在25～35℃，压力均保持在10～15MPa；
S4、将S3中在喷枪容室内混合后得到的混合物，在保持10～15MPa的压力状态下，经喷枪嘴处向需要混合的陶粒进行喷射，所述陶粒由储料仓输出，经传料带送至喷枪喷射范围上方做下落运动，陶粒在做下落运动时与聚氨酯混合物在空中进行混合，随后落入位于下方的传送带上的模具中进行反应；
S5、落入模具中的陶粒聚氨酯混合物开始发泡并进行反应固化，固化时通过上挤压组件加盖金属压板，并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合并成型，反应固化的时间在10～20秒，反应温度保持在120～180℃，成品的成型时间在5～10分钟。
优选的，所述S4中的模具有三种样式，
第一种是上方开口的预制金属制模盒，金属制模盒左右两侧设置有形状相适配的卯榫连接部，使用时将金属制模盒放入传送带传送至陶粒聚氨酯混合物下落区域，通过匹配生产线的运输速度与喷头的流量及陶粒掉落的量使得每个金属制模盒内填充量满足设计值，再通过上挤压组件加盖金属压板并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合，待陶粒聚氨酯混合物成型后，可直接作为预制构件使用；第二种是由金属板做底面板，传送带两侧有用于挤压陶粒聚氨酯混合物使之固定形状的侧模具，侧模具随传送带做循环运动，使用时将底面板放入传送带，侧模具随底面板一起运动至陶粒聚氨酯混合物下落区域，待陶粒聚氨酯混合物填满量满足设计值后，再通过上挤压组件加盖金属压板并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合，成型的成品可依据使用需求进行切割；第三种是由砂浆纸做模具的顶面和底面，使用时将底面砂浆纸放入传送带，传送带上的侧模具随底面板一起运动至陶粒聚氨酯混合物下落区域，待陶粒聚氨酯混合物填满量满足设计值后，在陶粒聚氨酯混合物上方铺设顶面砂浆纸，同时挤压上挤压组件的金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合并成型，随后撤去金属压板，成型的成品可依据使用需求进行切割。
优选的，所述S4中的喷枪嘴设置有多个，其中两个所述喷枪嘴位于做下落运动的陶粒两侧。
优选的，所述S4中喷枪喷射的聚氨酯混合物从反应开始至反应结束经过三个阶段：乳化阶段、拉丝阶段和发泡成型阶段。
优选的，所述S4中陶粒与聚氨酯混合物的混合方式包括下落法和抛射法，下落法具体过程为：陶粒由储料仓输出，经传料带送至喷枪喷射范围，开始做下落运动，陶粒与聚氨酯混合物接触并混合，混合发生在聚氨酯混合物反应的乳化阶段；抛射法具体过程为：先喷射聚氨酯混合物，陶粒通过机械被抛至喷枪喷射范围后做下落运动，陶粒在做下落运动时与聚氨酯混合物接触并混合，混合发生在聚氨酯混合物反应的拉丝阶段。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述的PUC复合材料，由高分子材料与无机材料混合而成，以陶粒作为骨料，聚氨酯混合物作为粘结剂，具有制备速度快、隔热保温性能好、质量轻、粘结料可分解、骨料可以重复利用的优点，可作为一种新型的装配式建材的填充材料，实现建筑模块的标准化、规模化生产；
2、应用PUC复合材料制作的预制构件，可替代混凝土预制构件，用于建筑物的围护结构，使得建筑可一次完成装修，不需要二次装饰；同时通过高温分解可将预制构件的金属装饰面板、金属结构部分、保温轻体骨料分类回收，回收回来的轻体骨料还可以重复使用，节约能源，减少了对环境的二次污染；
3、本发明所述的PUC复合材料，在高温分解时明火火焰高度为0、无毒无味、无黑烟、无火焰、无滴落物产生，表面有轻微的黑色碳化物，较传统复合材料而言，对环境污染大大减小，也是未来新型复合材料的发展方向；
4、本发明所述的PUC复合材料中加入了硅酸盐，使得PUC复合材料的防火等级达到了A2级，解决了建筑外墙保温防火问题。
附图说明
图1为本发明的制备方法流程图；
图2为本发明制备方法中的S4步骤示意图；
图3为本发明制备方法中的整体结构示意图；
图4为本发明制备方法中第一种模具制得的成品；
图5为本发明制备方法中第二种模具制得的成品；
图6为本发明制备方法中第三种模具制得的成品。
附图标记：1、储料仓；2、传料带；3、喷枪容室；301、进料管道一；302、进料管道二；4、喷枪嘴；5、传送带；6、模具；601、金属制模盒；602、金属板；603、砂浆纸；7、陶粒；8、陶粒聚氨酯混合物；9、喷枪喷射范围；10、侧模具；11、上挤压组件；12、金属压板。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明做进一步说明，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。
实施例1～4和对比例1～2中使用的原料如下：
多元醇：聚乙二醇醚；
阻燃剂：TCEP、TCPP、APP；
发泡剂：HFO-1336mzz
泡沫稳定剂：Ak8803；
扩链剂：甘油、二甘醇
硅酸盐：硅酸钠、硅微粉、白炭黑；
催化剂：A33、DMAEE；
多异氰酸酯：二异氰酸酯、TDI；
陶粒：粉煤灰、黏土。
实施例和对比例所用测试标准和方法：
导热系数测试标准：GB/T 10294-2008；
密度测试标准：GB/T5486-2008；
防火等级测试标准：GB 8624-2012。
表1列出实施例1～4、对比例1～2的原材料及比例和制备条件，其中实施例1～4、对比例1～2中聚氨酯混合物的各组分均以重量记份。
表1
表2为实施例1～4、对比例1～2以不同的比例将陶粒和聚氨酯混合后，进行相关测试得到的测试结果，其中，陶粒与聚氨酯通过下落法进行混合。
表2
选取本发明的PUC复合材料其中一种配比为实施例5，以普通C30混凝土为对比例3，进行比较，其中：
实施例5中使用的原料如下：
多元醇：聚乙二醇醚；
阻燃剂：TCEP；
发泡剂：HFO-1336mzz
泡沫稳定剂：Ak8803；
扩链剂：甘油；
硅酸盐：硅酸钠；
催化剂：A33；
多异氰酸酯：二异氰酸酯；
陶粒：粉煤灰。
对比例3中使用的原料如下：
水：自来水；
水泥：P32.5硅酸盐水泥；
砂子：堆积密度1850kg/m3；
石子：粒径10mm-20mm。
实施例5、对比例3的各组分、比例和制备条件列于表3，实施例5、对比例3的组分均以重量记份。
表3
| 实施例5 | 对比例3 | |
| 聚乙二醇醚 | 45 | |
| TCEP | 25 | |
| HFO-1336mzz | 3 | |
| Ak8803 | 1.5 | |
| 甘油 | 3 | |
| 硅酸钠 | 15 | |
| A33 | 0.2 | |
| 二异氰酸酯 | 115 | |
| 陶粒 | 粉煤灰 | |
| 第一组分：第二组分 | 1:1.3 | |
| 聚氨酯制备温度(℃) | 30 | |
| 陶粒烧制温度(℃) | 1000 | |
| 陶粒与聚氨酯的混合高压(MPa) | 12 | |
| 陶粒与聚氨酯的反应温度(℃) | 150 | |
| 陶粒：聚氨酯 | 0.5:0.5 | |
| 水 | 7.6 | |
| P32.5硅酸盐水泥 | 20 | |
| 砂子 | 22.2 | |
| 石子 | 54.4 |
其中，实施例5中通过下落法得到PUC复合材料，对实施例5、对比例3进行测试，测试结果列于表4：
表4
由表4中的数据可以看出，在防火等级相同的情况下，PUC复合材料在制备速度、分解性、隔热防火、质量等方面的性能均优于普通C30混凝土，以PUC复合材料制作预制构件可以大大提升PC建筑的性能及使用效果，也是未来新型复合材料的发展方向。
选取实施例1详细描述PUC复合材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备第一搅拌容器，分别按重量份称取第一组分中30份聚乙二醇醚220、40份TCEP、1份HFO-1336mzz、1份Ak-8803、1份甘油、20份硅酸钠、0.1份A33，将上述材料倒入第一搅拌容器中并保持25℃均匀搅拌，得到第一预料；
S2、准备第二搅拌容器，按重量分称取第二组分中90份二异氰酸酯，将二异氰酸酯倒入第二搅拌容器中保持25℃的温度搅拌均匀得到第二预料；
S3、将S1制得的第一预料通过进料管道1送至喷枪容室处，将S2制得的第二预料通过进料管道2送至喷枪容室处，第一预料与第二预料在喷枪容室进行混合，两条管道及容室是温度均保持在25℃，压力均保持在10MPa；
S4、将S3中在喷枪容室内混合后得到的混合物，在保持10MPa的压力状态下，经喷枪嘴处向需要混合的陶粒进行喷射，所述陶粒由粉煤灰经1200℃烧制而成，由储料仓输出，经传料带送至喷枪喷射范围上方做下落运动，陶粒在做下落运动时与聚氨酯混合物在空中进行混合，随后落入位于传送带上的的模具中进行反应；
S5、落入模具的陶粒在粘满聚氨酯混合物后开始发泡并进行反应固化，固化时通过上挤压组件加盖金属压板，并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合并成型，保持反应温度在180℃左右，反应时间在10-20秒，成型时间在9分钟。
本发明采用陶粒和聚氨酯作为预制构件的填充材料，以提高预制构件各方面性能。陶粒作为骨料代替传统骨料，具有轻质高强的特点，聚氨酯具有质量轻、防火保温性能好的特点，将陶粒和聚氨酯结合极大的减轻了传统PC构件的重量，同时硅酸盐的加入使得PUC复合材料的防火等级也达到了A2级，又利用PUC复合材料可分解及回收再利用的特点，节约能源，保护环境，对构建清洁低碳安全高效的能源体系，加速产业结构调整优化，推动重点领域节能降碳有极大意义。
本发明是通过高温分解的方式对PUC复合材料进行回收再利用，在200-400℃的高温作用下聚氨酯中的H-O键发生断裂，使聚氨酯失去粘结力，通过物理或机械的方式可以分离出预制构件中的金属装饰面板、金属结构部分和陶粒，分离出的陶粒还可重复使用；在200℃以下的温度条件下，聚氨酯分子内部断裂的H-O键又重新结合，形成聚氨酯，这种新型的PUC复合材料具有可分解、可重复使用、强度高、粘结力强、保温性好、质量轻等优点，经高温分解的聚氨酯无黑烟、无火焰、无滴落物产生，适用于建筑、交通工具、船舶以及抗冲击碰撞防护罩等。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种PUC复合材料，其特征在于：包括陶粒和聚氨酯混合物所述陶粒与聚氨酯混合物的投入比例为0.1-0.9:0.9-0.1，所述聚氨酯混合物包括第一组分和第二组分，所述第一组分的重量份包括：多元醇30～60份、阻燃剂10～40份、发泡剂1～5份、泡沫稳定剂1～2份、扩链剂1～5份、硅酸盐10～20份、催化剂0.1～0.3份；所述第二组分的重量份包括：多异氰酸酯90～140份。
2.根据权利要求1所述的PUC复合材料，其特征在于：所述陶粒由粉煤灰、黏土、页岩、煤矸石、生物污泥或河底泥中的一种或两种及以上烧制而成，烧制温度为800℃～1200℃，所述陶粒的颗粒直径范围为3mm～90mm，陶粒的筒压强度≥5.5MPa，含水量≤5％，容重为每立方米250～600公斤，陶粒颗粒中的孔隙为微小闭孔。
3.根据权利要求1所述的PUC复合材料，其特征在于：所述多元醇是聚乙二醇醚、聚丙二醇醚、聚丙三醇醚、聚季戊四醇醚或聚四氢呋喃醚二醇中的一种或两种及以上；所述多异氰酸酯是TDI、MDl、IPDI、HDI、PAPI、二异氰酸酯或三异氰酸酯中的一种或两种及以上。
4.根据权利要求1所述的PUC复合材料，其特征在于：所述阻燃剂是TCEP、TCPP、APP中的一种或两种及以上，所述发泡剂是HFO-1336mzz、HFC-134a、HCFC-141b中的一种或两种及以上，所述泡沫稳定剂是AK8803、AK8805、AK8863、B8443、B8462中的一种或两种及以上，所述扩链剂是甘油、二甘醇、乙二醇、丙二醇、丁二醇中的一种或两种及以上，所述硅酸盐是硅酸钠、硅微粉和白炭黑中的一种或两种及以上，所述催化剂是A33、DMAEE、三乙胺、三乙醇胺、DMEA中的一种或两种及以上。
5.根据权利要求1所述的PUC复合材料，其特征在于：所述聚氨酯混合物的第一组分与第二组分的重量比为1:1～1:1.5，第一组分与第二组分混合后的发泡率为5～20倍，阻燃系数为B1级以上，聚氨酯混合物的溶质重量为每立方30～45公斤，聚氨酯混合物的粘合力≥1MPa；第一组分和第二组分的反应时间在5～60秒，反应温度小于150℃。
6.一种权利要求1～5任一项所述的PUC复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备第一搅拌容器，分别按重量份称取第一组分中的多元醇、阻燃剂、发泡剂、泡沫稳定剂、扩链剂、硅酸盐、催化剂，将多元醇、阻燃剂、发泡剂、泡沫稳定剂、扩链剂、硅酸盐、催化剂倒入第一搅拌容器中并保持25～35℃均匀搅拌，得到第一预料；
S2、准备第二搅拌容器，按重量分称取第二组分中的多异氰酸酯，将多异氰酸酯倒入第二搅拌容器中保持25～35℃的温度搅拌均匀得到第二预料；
S3、将S1制得的第一预料通过进料管道一送至喷枪容室处，将S2制得的第二预料通过进料管道二送至喷枪容室处，第一预料与第二预料在喷枪容室进行混合，两条管道及容室的温度均保持在25～35℃，压力均保持在10～15MPa；
S4、将S3中在喷枪容室内混合后得到的混合物，在保持10～15MPa的压力状态下，经喷枪嘴处向需要混合的陶粒进行喷射，所述陶粒由储料仓输出，经传料带送至喷枪喷射范围上方做下落运动，陶粒在做下落运动时与聚氨酯混合物在空中进行混合，随后落入位于下方的传送带上的模具中进行反应；
S5、落入模具中的陶粒聚氨酯混合物开始发泡并进行反应固化，固化时通过上挤压组件加盖金属压板，并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合并成型，反应固化的时间在10～20秒，反应温度保持在120～180℃，成品的成型时间在5～10分钟。
7.根据权利要求6所述的PUC复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4中的模具有三种样式，
第一种是上方开口的预制金属制模盒，金属制模盒左右两侧设置有形状相适配的卯榫连接部，使用时将金属制模盒放入传送带传送至陶粒聚氨酯混合物下落区域，通过匹配生产线的运输速度与喷头的流量及陶粒掉落的量使得每个金属制模盒内填充量满足设计值，再通过上挤压组件加盖金属压板并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合，待陶粒聚氨酯混合物成型后，可直接作为预制构件使用；
第二种是由金属板做底面板，传送带两侧有用于挤压陶粒聚氨酯混合物使之固定形状的侧模具，侧模具随传送带做循环运动，使用时将底面板放入传送带，侧模具随底面板一起运动至陶粒聚氨酯混合物下落区域，待陶粒聚氨酯混合物填满量满足设计值后，再通过上挤压组件加盖金属压板并挤压金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合，成型的成品可依据使用需求进行切割；
第三种是由砂浆纸做模具的顶面和底面，使用时将底面砂浆纸放入传送带，传送带上的侧模具随底面板一起运动至陶粒聚氨酯混合物下落区域，待陶粒聚氨酯混合物填满量满足设计值后，在陶粒聚氨酯混合物上方铺设顶面砂浆纸，同时挤压上挤压组件的金属压板使陶粒聚氨酯混合物紧密贴合并成型，随后撤去金属压板，成型的成品可依据使用需求进行切割。
8.根据权利要求6所述的PUC复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4中的喷枪嘴设置有多个，其中两个所述喷枪嘴位于做下落运动的陶粒两侧。
9.根据权利要求6所述的PUC复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4中喷枪喷射的聚氨酯混合物从反应开始至反应结束经过三个阶段：乳化阶段、拉丝阶段和发泡成型阶段。
10.根据权利要求9所述的PUC复合材料的制备方法，其特征在于：所述S4中陶粒与聚氨酯混合物的混合方式包括下落法和抛射法，下落法具体过程为：陶粒由储料仓输出，经传料带送至喷枪喷射范围，开始做下落运动，陶粒与聚氨酯混合物接触并混合，混合发生在聚氨酯混合物反应的乳化阶段；抛射法具体过程为：先喷射聚氨酯混合物，陶粒通过机械被抛至喷枪喷射范围后做下落运动，陶粒在做下落运动时与聚氨酯混合物接触并混合，混合发生在聚氨酯混合物反应的拉丝阶段。
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