以大豆油多元醇制備的硬質聚氨酯泡沫塑料的性能研究

黃玉西，田春蓉，梁書恩，王建華＊

（1.西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽621010；2.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

以大豆油多元醇制備的硬質聚氨酯泡沫塑料的性能研究

黃玉西1，2，田春蓉2，梁書恩2，王建華1，2＊

（1.西南科技大學材料科學與工程學院，四川 綿陽621010；2.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621900）

用大豆油多元醇替代石化聚醚多元醇制備出了硬質聚氨酯泡沫塑料（RPUF），考察了石化聚醚多元醇和大豆油多元醇的比例以及RPUF密度對RPUF性能的影響。結果表明，隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF的沖擊強度和壓縮模量減小，壓縮屈服點逐漸消失，玻璃化轉變溫度升高；但隨著大豆油基RPUF密度的增加，其沖擊強度、壓縮模量和儲能模量都得到了提高，壓縮模量最高可達56.44MPa。

大豆油多元醇；硬質聚氨酯泡沫塑料；力學性能；熱穩定性

0 前言

聚氨酯（PU）是一類用途廣泛、性能優異的高分子材料。20世紀50年代以來，由于石油工業和化學工業的發展，豐富了PU工業的原料來源，提高了許多產品的性能，大大促進了PU工業的發展［1］。但是隨著石油消耗量的增加，人類面臨著石油資源的日益短缺和原油價格的不斷上漲等問題，用可再生資源生產化工原料和燃料越來越引起人們的重視［2］。

大豆油作為一種可再生資源，其主要成分為棕櫚酸、硬脂酸等飽和脂肪酸和油酸、亞油酸、亞麻酸等不飽和脂肪酸，其中不飽和脂肪酸部分含有較多的碳碳雙鍵，可以通過環氧化和羥基化反應制備出大豆油多元醇［3－5］，用于制備 PU 泡沫塑料［6－8］。本文利用商品化的大豆油多元醇，與羥值相近的石化聚醚多元醇組合，采用快速、易于工業化的一步法發泡成型方法，制備了不同大豆油多元醇含量的RPUF，同時以大豆油多元醇全部替代石化聚醚多元醇制備了不同密度的RPUF，并對所得RPUF的沖擊、壓縮、動態力學性能和熱穩定性進行了系統的研究。

1 實驗部分

1.1 主要原料

石化聚醚多元醇，N－303，實測羥值473.4mgKOH/g，江蘇金棲聚氨酯有限公司；

大豆油多元醇，SP401，實測羥值455.2mgKOH/g，酸值1.76mgKOH/g，水分0.1%，pH＝7.80，凝固點4℃；官能度3～6，黏度25000mPa·s，江蘇鐘山化工有限公司；

多亞甲基多苯基多異氰酸酯（PAPI），PM200，工業級，煙臺萬華集團有限公司；

三乙醇胺（TEA），分析純，成都市聯合化工試劑研究所；

辛酸亞錫，T－9，國藥集團化學試劑有限公司；

硅油，AK8807，工業級，南京德美世創化工有限公司。

1.2 主要設備及儀器

電子天平，PL2002，梅特勒－托利多儀器（上海）有限公司；

電熱鼓風干燥箱，CS101－2AB，重慶試驗設備廠；

強力電動攪拌機，JB300－D，廣州儀科實驗室技術有限公司；

電子萬能材料試驗機，CMT－7150，珠海三思計量儀器有限公司；

動態熱分析儀（DMA），DMA7e，美國 Perkin－Elmer公司；

紅外光譜儀（FTIR），6700FTIR spectrometer，美國Nicolet公司；

熱重分析儀（TG），TGA2050，美國TA儀器公司；

差示掃描量熱儀（DSC），DSC27，美國PE公司；

硬鋁模具，自制。

1.3 樣品制備

按表1的配比，在燒杯中分別加入計量的大豆油多元醇、石化聚醚多元醇、水、催化劑TEA和辛酸亞錫、硅油，攪拌混合均勻，調節料溫至30℃，同時調節PAPI溫度為25℃，在燒杯中加入PAPI，攪拌1min，將混合物澆入預熱至50℃的涂有脫模劑的模具中，稍微冷卻后將模具在100℃的烘箱中固化3h，自然冷卻后脫模制樣，以備測試。

表1 RPUF的配方表Tab.1 Formula for RPUF

按照表1中5＃樣品的配方及制備方法，分別制備密度為0.075、0.100、0.125、0.150g/cm3的大豆油基RPUF，以備測試。

1.4 性能測試與結構表征

FTIR分析：采用KBr壓片法，分別對大豆油多元醇和大豆油基RPUF（5＃樣品）進行表征；

按GB/T 13525—1992對樣品進行沖擊性能測試，無缺口，擺錘能量1J；

按GB/T 8813—2008對樣品進行壓縮性能測試，壓縮速率5mm/min；

動態力學性能分析：樣品尺寸為35mm×12.5mm×3mm，方式為雙懸臂梁，振動頻率為1Hz，升溫速率3℃/min；

DSC分析：N2氣氛，升溫速率為10℃/min，測試溫度區域為－50～180℃；

TG分析：N2氣氛，升溫速率10℃/min。

2 結果與討論

2.1 FTIR分析

從圖1（a）可知，在大豆油多元醇的FTIR圖譜中，3410cm－1處為羥基—OH的伸縮振動特征吸收峰。在圖1（b）中，3400cm－1左右處的吸收峰幾乎消失，表明大豆油多元醇中的羥基很好地參與了反應，尚存的微弱吸收是由于少量的—OH或者—NH基團沒有反應［9］；1700cm－1左右出現的吸收峰為酯基的C O伸縮振動吸收峰，1000～1300cm－1處的2個吸收峰是大豆油結構中甘油酯酯基O C—O—R的C—O—C不對稱伸縮振動的2個吸收帶，1400cm－1左右處是CO—NH吸收峰，由圖分析可知，大豆油多元醇與PAPI很好地發生了反應，并產生了具有氨基甲酸酯結構的PU泡沫。

圖1 大豆油多元醇和大豆油基RPUF的FTIR譜圖Fig.1 FTIR spectra for soybean oil－based polyol and soybean oil－based RPUF

2.2 大豆油多元醇用量及密度對沖擊性能的影響

在圖2（a）中，通過對多組RPUF沖擊強度測試數據進行線性擬合，可以看出，以純石化聚醚多元醇制備的RPUF的沖擊強度最強；隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF的沖擊強度逐漸減弱，以純大豆油多元醇制備的RPUF的沖擊強度最弱，在0.3kJ/m2左右。由圖2（b）可知，隨著大豆油基RPUF密度的增加，其沖擊強度整體呈現增加趨勢，在密度為0.15g/cm3時，其沖擊強度還是達到了較高的數值，線性擬合的曲線也符合一般的高分子材料力學性能與密度關系的一般規律。

圖2 大豆油多元醇用量和RPUF密度對RPUF沖擊強度的影響Fig.2 Effect of contents of soybean oil－based polyol and density on impact strength of RPUF

2.3 大豆油多元醇用量及密度對壓縮性能的影響

如圖3所示，所有曲線均表現出3個階段：彈性段、“平臺”階段和“硬化”密實段。第1階段，起始線性階段對應于泡孔的彈性響應，根據彈性段斜率可得到泡沫的壓縮模量。第2階段，曲線表現出較長的平臺，應力隨應變增加得非常緩慢，達到一個相對穩定的狀態。此階段材料變形包括泡孔的彈性彎折，塑料斷裂以及泡壁的破裂。屈服強度標志著泡沫材料微觀結構受損，力學性能不穩定的開始［10］，所以，屈服強度是設計減震和抗沖擊襯墊的一個非常關鍵的指標。從圖3可見，隨著大豆油多元醇用量的增加，曲線在平臺階段前出現應力小幅下降的材料應變軟化的現象越來越不明顯，其中曲線1和2應力小幅下降的現象消失，應力小幅下降是材料彈性變形模式，這說明大豆油多元醇在RPUF壓縮的初期階段作為彈性鏈段存在，提高了材料的彈性。曲線的第3階段，應力陡然上升，對應于泡沫的密實化，曲線1首先出現了第3階段，而且隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF出現密實化的順序越靠后，可知隨著壓縮的增加，大豆油多元醇比石化聚醚多元醇提前出現了結構坍塌的現象，這也說明大豆油多元醇在RPUF中起到了彈性鏈段的作用。

圖3 不同大豆油多元醇用量的RPUF的壓縮應力應變曲線Fig.3 Compression stress－strain curves for RPUF with different contents of soybean oil－based polyol

由圖4可見，隨著密度的增加，大豆油基RPUF的壓縮性能逐漸增加，泡沫密度的增加，意味著其中泡孔體積減少，而實體體積增加，因此壓縮性能隨之提高。表2列出了不同配方和不同密度的樣品的壓縮模量。另外在研究中發現，泡沫的壓縮模量與密度之間通常存在如式（1）所示的關系［11］，即泡沫的壓縮模量與泡沫密度的n次方存在線性關系。本文測試數據研究發現，當n＝1.4時，數據表現出了很好的線性關系，如圖5所示。

圖4 不同密度的大豆油基RPUF的壓縮應力應變曲線Fig.4 Compression stress－strain curves for soybean oil－based RPUF with different density

式中 Ei——泡沫的壓縮模量，MPa

ρ——泡沫密度，g/cm3

n——指數

圖5 RPUF的壓縮模量與ρ1.4的線性關系Fig.5 Linear relationship between compression modulus of RPUF andρ1.4

表2 樣品的壓縮模量Tab.2 Compression modulus of the samples

2.4 大豆油多元醇用量及密度對DMA的影響

從圖6（a）可以看出，在石化聚醚多元醇用量較多時，RPUF的儲能模量（E′）較大，其中大豆油多元醇/石化聚醚多元醇為75/25時，E′最大，說明在石化聚醚多元醇用量較多時，RPUF的剛性要高于大豆油多元醇用量較大的RPUF。在大豆油多元醇/石化聚醚多元醇為50/50時，RPUF的E′最小，但是材料在室溫到100℃時卻有比較好的穩定性，該段曲線走勢平穩，說明以該配比制備的RPUF，大豆油多元醇和石化聚醚多元醇很好地交聯，但材料剛性卻不足。從圖6（b）可以看出，以純大豆油多元醇制備的RPUF的玻璃化轉變溫度最低，其次是純石化聚醚多元醇制備的RPUF，可見單獨使用大豆油多元醇或者石化聚醚多元醇，RPUF的玻璃化轉變溫度都低于大豆油多元醇和石化聚醚多元醇組合制備的RPUF，其中大豆油多元醇/石化聚醚多元醇配比為25/75制備的RPUF的玻璃化轉變溫度最高，達到160℃，這說明大豆油多元醇和石化聚醚多元醇共混時，分子結構交聯，增強了分子間的作用力，使得材料更加趨于穩定，若使鏈段松弛，會變得困難，需要更大的能量，損耗因子（tanδ）的峰向高溫移動，玻璃化轉變溫度升高［12］。

從圖7（a）可見，隨著密度的增加，大豆油基RPUF的E′增加，這也是泡沫實體體積增加，鏈段熱運動阻力增加所致。密度為0.075g/cm3時，E′曲線趨于平滑下降，這是因為泡沫的實體體積小，柔性較大，隨著溫度的升高，較大的泡孔內壓力增加明顯，使得泡沫E′曲線下降較慢。從圖7（b）可見，密度為0.150g/cm3的大豆油基RPUF的最大損耗因子最大，材料的阻尼能力增加，密度為0.100g/cm3的大豆油基RPUF的最大損耗因子最小，即大豆油基RPUF的最大損耗因子隨著泡沫密度的增加而先減小后增大。大豆油基RPUF的玻璃化轉變溫度隨著密度的增加而有稍微的減小，但在密度為0.100g/cm3時的減小比較明顯。

圖6 RPUF的lgE′～T曲線和tanδ～T曲線Fig.6 lgE′～Tand tanδ～Tcurves for RPUF

圖7 不同密度的大豆油基RPUF的lgE′～T曲線和tanδ～T曲線Fig.7 lgE′～Tand tanδ～Tcurves for soybean oil－based RPUF with different density

2.5 大豆油多元醇用量對RPUF熱穩定性的影響

從圖8（a）可以看出，5組曲線都表現出多階段失重，第一階段是水分的揮發，大豆油多元醇/石化聚醚多元醇為100/0時制備的RPUF失重最多，說明大豆油基RPUF具有更強的吸水性。110～350℃為第二階段失重，隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF失重逐漸減少，失重依次為：65.52%、53.84%、41.88%、34.35%、30.09%。失重的第三階段溫度在350～500℃之間，在該階段，隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF失重增加，失重依次為：19.09%、31.65%、43.59%、55.24%、59.09%，說明該階段是大豆油多元醇自身結構破壞和分解的過程，也說明了大豆油多元醇在結構上比石化聚醚多元醇具有更高的熱穩定性。

從圖8（b）可見，在DSC曲線中沒有出現熔融和結晶的轉變過程，說明所制備的RPUF是非晶狀態［5］。所有的RPUF曲線只出現了一個玻璃化轉變溫度，并且玻璃化轉變溫度隨著大豆油多元醇用量的增加而增大。作為軟段的多元醇類，天然結構的大豆油多元醇和石化聚醚多元醇混合使用，會使得RPUF中高分子鏈段的流動變得困難，增加RPUF的交聯密度，這也剛好可以用來解釋圖6（b）出現的現象。

3 結論

（1）大豆油多元醇可以作為PU泡沫塑料的原料，替代或者部分替代石化聚醚多元醇，且具備很好的反應活性；

（2）隨著密度的增加，大豆油基RPUF具有更高的沖擊強度、壓縮模量和儲能模量，并且其壓縮模量與密度的1.4次方存在著線性關系；

圖8 RPUF的TG曲線和DSC曲線Fig.8 TG and DSC curves for RPUF

（3）隨著大豆油多元醇用量的增加，RPUF的壓縮強度和儲能模量逐漸減小，沖擊強度也整體呈現減小趨勢，但添加大豆油多元醇，可以改善RPUF的柔韌性，并且大豆油多元醇自身結構比石化聚醚多元醇具有更高的熱穩定性；

（4）石化聚醚多元醇和大豆油多元醇組合使用，使RPUF的玻璃化轉變溫度增加，使其在高溫使用領域具有更大的應用潛力。

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Research on Properties of Rigid Polyurethane Foam Prepared by Soybean Oil－based Polyol

HUANG Yuxi1，2，TIAN Chunrong2，LIANG Shuen2，WANG Jianhua1，2＊
（1.Material Science and Engineering College，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China；2.Institute of Chemical Materials，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China）

Petrochemical polyol was partially replaced with soybean oil－based polyol in the preparation of rigid polyurethane foam （RPUF）.The effects of fraction of soybean oil－based polyol and density of RPUF on the properties of RPUF were studied.It showed that with increasing contents of soybean oil－based polyol，the impact strength and compression modulus of RPUF reduced，however，the yield point gradually disappeared，and glass－transition temperature increased.With increasing density，the impact strength，compression modulus，and storage modulus of RPUF increased，the compression modulus reached 56.44MPa.

soybean oil－based polyol；rigid polyurethane foam；mechanical property；thermal stability

TQ323.8

B

1001－9278（2012）01－0059－06

2011－08－11

四川省生物質改性材料工程研究中心（西南科技大學）開放課題（09zxbk07）；生物質材料教育部工程研究中心（西南科技大學）開放課題（10zxbk07）

＊聯系人，wjh＠caep.ac.cn

（本文編輯：劉 學）