保温用泡沫聚氨酯生产原理与工艺的研究进展

保温用泡沫聚氨酯生产原理与工艺的研究进展

化学与材料科学系高分子材料与工程专业

12150106 贺学兵指导老师：张少华老师

摘要：综述了聚氨酯泡沫的合成和合成所用发泡剂、多元醇、异氰酸酯体系，以及一些原料同时添加改性剂和助剂制成新型聚氨酯保温材料，综述了聚氨酯保温材料的特点。从略地综述了改性剂的种类及用量对聚氨酯硬质泡沫塑料性能的影响.

关键词：聚氨酯泡沫、合成、保温材料、特点、性能。

引言：

聚氨酯硬质泡沫[1]塑料多为闭孔结构，具有绝热效果好、质量轻、比强度大、施工方便等优良特性，同时还具有隔声、防震、电绝缘、耐热、耐寒、耐溶剂等特点，广泛应用于冰箱、冰柜、冷库、冷藏车的绝热材料，建筑物、储罐及管道的保温材料等。近年来国外聚氨酯硬质泡沫塑料的研究发展迅速，并且得到了广泛的应用。但国内聚氨酯硬质泡沫塑料由于成本较高，相对发展比较缓慢，因此国内市场还有待进一步开发。

硬质聚氨酯泡沫塑料是建筑物的屋顶、天花板、墙板、地板等部位理想的保温材料。硬质聚氨酯泡沫塑料在作为承载结构材料的应用中，不仅要求质轻，还要求有优良的压缩强度、模量和尺寸稳定性。本文从工业化的实际需求出发，合成低成本高性能的聚氨酯硬质泡沫塑料。采用多亚甲基多苯基多异氰酸酯、蔗糖聚醚为主要原料，以PET醇解后的产物为改性剂，系统地研究了改性剂的种类及数量对聚氨酯硬质泡沫塑料抗压强度、导热系数、密度、吸水率等性能的影响，以及对发泡时间、固化时间的影响。实验结果表明，改性剂能使聚氨酯硬质泡沫塑料的抗压强度较高，导热系数较小，密度也相对较小，吸水率等性能也符合相应要求，最重要的是极大地降低了成本，符合工业化需求。

1 聚氨酯泡沫体系[2]

1.1 发泡剂

发泡剂是聚氨酯泡沫塑料中最重要的一种助剂,发泡剂的种类、数量对聚氨酯泡沫的物理机械性能、泡沫密度、耐温性等有直接影响。制备聚氨酯泡沫所使用的发泡剂基本上分为两种类型:一种是利用水与异氰酸酯反应放出CO

作为起

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泡剂,即化学发泡剂;另一种是选用低沸点化合物,利用泡沫体系的反应热使之汽化发泡,即物理发泡剂。

1.2 多元醇

聚氨酯泡沫的制备中主要使用聚醚多元醇等,随着聚氨酯工业的发展,在基础原料方面有了较大的改进。

以双金属络合物为催化剂,首先制备出超低单醇含量、高相对分子质量的聚氧化丙烯醚多元醇,再采用碱金属化合物催化剂,用环氧乙烷封端,制得高活性聚醚多元醇。对这种聚醚采用全水发泡体系合成高回弹软质聚氨酯泡沫,通过物理机械性能的检测,实验结果表明,用DMC聚醚多元醇比用常规的PPG(聚丙二醇)聚醚多元醇制备的高回弹软质聚氨酯泡沫具有更优异的理化性能和开发应用价值。将这种高活性DMC聚醚应用于冷熟化聚氨酯高回弹泡沫的制造时,可减少TDI的用量,从而节省成本,并使泡沫的力学性能和舒适性得到明显提高。以自制密氨基聚脲多元醇为主要原料制备高回弹聚氨酯软泡,研究密氨基聚脲多元醇对泡沫开孔率、密度、回弹率、压陷硬度、水平燃烧速率和氧指数等的影响。三聚氰胺聚脲多元醇为聚氨酯泡沫提供了优良的泡沫压陷硬度和阻燃性、玻璃化温度和热解温度。测试值表明,密氨基聚脲多元醇为其泡沫提供了优异的热稳定性。三聚氰胺与亚烃基碳酸盐反应制得聚醚多元醇,以这种聚醚多元醇制得的聚氨酯泡沫体具有良好的表观密度、线收缩和燃烧性能,与传统的聚氨酯泡沫相比具有良好的热性能。

1.3 异氰酸酯

异氰酸酯是制备聚氨酯所用的基础原料,主要包括TDI、MDI、PAPI等3种,但基于异构比、聚合度以及各种改性产品的出现,在使用中也会有较大幅度的选择余地。TDI的异构比影响聚氨酯泡沫的微相分离,随着TDI异构比的变化,聚脲相的

聚集度发生变化。异氰酸指数的变化也会导致泡沫体微相区和玻璃化转变温度的改变。根据异氰酸酯的三聚化反应原理发展出的异氰脲酸酯类型的泡沫已经形成一类新的品种,广泛应用于制备耐高温、阻燃隔热新材料。扩大聚异氰脲酸酯硬泡的应用范围,提高其耐温性是很必要的。一般聚异氰脲酸酯硬泡的耐温等级为150e,Elastogram公司开发了一种聚异氰脲酸酯硬泡,其耐温等级达180℃,且在高温下有好的绝热性能,可用作长距离输送液体管道的保温材料。该泡沫短期能经受500℃高温。航天飞机外燃料箱的外壳覆盖热保护系统,是一层2.5cm厚的聚氨酯泡沫涂料,作用是将推进剂维持在一个可接受的温度,保护外壳表面不会因为与大气摩擦而产生高温损坏,也将表面结冰的可能性降至最低。

2 硬质聚氨酯保温材料的特点[3]

(1)粘接性能好。硬质聚氨酷是一种结构致密的微孔泡沫体，与钢材、混凝土、砖石、木材、玻璃等硬质建筑材料有良好的粘接性能，具有不宜脱离主体、导热性能差的特性，特点是抗压、与基层粘结牢固。

(2)不透水。硬质聚氨醋通过适量添加多种助剂速成微孔发泡体，闭孔率达92%以上，自结皮光洁。因此，具有很高的水蒸气渗透阻和良好的不透水性。在施工中采用喷涂成型技术，按照设计保温层的厚度喷涂聚氨醋，成为无接缝壳体，形成完整的不透水层，从根本上杜绝了雨水渗透沿缝隙渗人保温层的可能性。另外，粘结强度可超过泡沫体本身的撕裂强度，不会与基层脱离，避免了水沿层间渗漏。用硬质聚氨醋做成水盆、水箱盛200mm深的水能长期不渗漏;25mm厚的硬质板在一面割去自结皮，使其承受5m水柱高水压的作用，经过一年多的试验，没有发生渗漏现象，切开观察断面，水侵人的厚度仅为1-2mm,经分析此深度是硬质板表面切削力作用的开孔深度。

(3) 导热率低。热导率与材料内部孔隙构造有密切关系。硬质聚氨醋材料是结构致密、封闭的非连通孔隙，材料的孔隙率较大，几乎没有对流作用的影响，所以导热率小。

(4) 力学性能好。硬质聚氨酷表观密度小、比强度高、延伸率大、抗冲击性好、不开裂、适应基材变形能力强。其表观密度为35-40kg/m3，抗压强度在0.2-0.3MPa之间，伸长率在10%-4%之间。

(5)耐化学腐蚀性强。硬质聚氨AL在苯、汽油等一般化学溶剂和稀浓度的酸、碱、盐溶液等环境的作用下具有良好的化学稳定性，也不会发生霉变和腐烂。 (6)耐热性能高。硬质聚氨醋在-50℃的低温下，体积收缩率小于1%，而且不会发生变脆和开裂等现象;在120℃高温条件下，体积和强度无明显变化;在150℃较高温度下，聚合体不会发生降解，因此可用于高温和一般低温条件。

(7)单位自重轻。表观密度小，成型后的硬质聚氨酷材料自重为1-2kg/m2(厚30-50mm);特别适用于轻型大跨度、薄壳结构的建筑物和长距离石油输送管线，减小了自身重量，给规模化施工和现场施工提供了极大的方便。

(8)施工速度快。硬质聚氨醋采用浇注发泡和喷涂发泡等成型技术，工艺、设备简单、操作方便，尤其适合形状复杂、管道纵横的基层表面施工。例如，硬质聚氨酷屋面施工时不需要大型吊装设备，一套设备每日在良好条件下可完成1000m2左右建筑物的防水保温工作量。

(9)工程质量好，使用寿命长。优异的不透水、绝热、轻质高强、耐化学腐蚀等特性奠定了优质工程的基础，从根本上解决了当前房屋建设中最突出的屋面渗漏问题和维修频繁的矛盾。

3 聚氨酯的合成

聚氨酯泡沫都是由多元醇和二异氰酸酯或多异氰酸酯在催化剂和其它助剂的作用下形成的。异氰酸酯是制备聚氨酯泡沫的基础原料，早期生产聚氨酯泡沫主要使用TDI,但由于TDI蒸气压大,后来改用MDI,极大地促进了聚氨酯泡沫工业的发展。作为制备聚氨酯泡沫主要原料之一的多元醇,其品种、结构对泡沫体的生产和性能有很大的影响,目前使用的主要是聚醚多元醇和聚酯多元醇。另外还有发泡剂、表面活性剂、阻燃剂等助剂。此外生产设备、工艺控制对泡沫体的性能也有重要影响。

查阅文献[4]合成聚氨酯的原料有丙三醇、一缩二乙二醇、乙二醇：化学试剂；多亚甲基多苯基多异氰酸酯、蔗糖聚醚、胺类和有机锡类复合催化剂、HCFC-141b、二甲基硅氧烷工业品；PET：废弃的聚酯瓶回收料。

3.1 新型聚氨酯保温材料的制备[4]