粉煤灰/聚氨酯硬泡復合材料的制備及性能的研究

趙雪嵐，王仁舒，馮 靜

(六盤水師范學院 化學與材料工程學院，貴州 六盤水 553004)

聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的簡稱。凡是在高分子主鏈上含有許多重復的氨基甲酸酯基團的高分子化合物統(tǒng)稱為聚氨基甲酸酯[1]。聚氨酯(PU)的主鏈是含有-NHCOO-重復結(jié)構(gòu)單元的一類大分子聚合物[2]。是典型的多嵌段共聚物。它是低聚物多元醇和多異氛酸醋加成聚合后的產(chǎn)物[3]。聚氨酯彈性體是彈性體中比較特殊的一大類，其原材料品種繁多，配方多樣，可調(diào)范圍廣。聚氨酯彈性體由于綜合性能出眾而被廣泛應用于民用、體育、航天、軍事等領(lǐng)域，成為不可缺少的重要材料之一[4]。但由于其耐熱、耐極性溶劑等性能還不夠理想，其應用受到了一定程度的限制。為了進一步拓寬其應用領(lǐng)域，研究者一方面把特殊粒子加入體系以改善聚氨酯材料的一些性能[5]，另一方面通過改變制備方法來提高聚氨酯材料的性能[6]。

粉煤灰，就是燃煤電廠排出的一種主要固體廢物，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細灰[7]。而從我國燃煤電廠排出粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[8]。我國許多地方水資源缺乏，大部分地區(qū)還是依賴燃煤電廠的發(fā)電，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠排放出的粉煤灰的量逐年增加，已經(jīng)成為我國當前排量較大的工業(yè)廢渣之一[9]。大量的粉煤灰不加處理，尤以燃煤電廠集中地區(qū)為甚。由于其特殊的物化性質(zhì)，如不加以治理與綜合利用，則會因揚塵、堵塞河道、有毒重元素滲透等原因，造成大氣、水系、土壤等環(huán)境污染，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成很大污染及對人民生產(chǎn)生活造成極大負面影響。粉煤灰是可以資源化利用，如可以作為混凝土的摻合料等[10]。本項研究以粉煤灰為填料，進行抗壓縮性能測試，探討復合材料實用性，并期望能為粉煤灰的綜合利用拓寬渠道[11]。白料是通過甘油與環(huán)氧丙烷以氫氧化鉀為催化劑，在油浴鍋恒溫80 ℃溫度下攪拌8 h得到共聚物。是一種具有粘稠性透明液體。黑料使用4,4'-MDI，又稱異氰酸苯酯。用研磨將黑料磨成粉，然后用80目的篩子進行篩分。

1 實驗藥品及儀器設(shè)備

藥物：丙三醇，環(huán)氧丙烷，氫氧化鉀，碳酸氫銨，吐溫80，N-乙基嗎啉，粉煤灰，異氰酸苯酯。儀器設(shè)備：電子天平，數(shù)顯恒溫水浴鍋，電熱鼓風干燥箱，冷凝管，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，分子篩。

2 實驗過程

2.1 黑料和白料的混合

將已磨好的黑料按比例秤好，倒入模具中去，用針筒抽取比例的白料打入模具中去。加入后用玻璃棒將黑料與白料攪拌均勻，將模具移到水浴鍋中，水浴鍋加熱到80 ℃。黑料開始融化充分與白料接觸經(jīng)過5 min后開始反應直到完全聚合。在這個過程中產(chǎn)生一定量的白煙，會產(chǎn)生大量的熱。直到不再發(fā)泡，黑料與白料已經(jīng)聚合，冷卻完測試最抗壓縮則是最優(yōu)配比。

通過實驗得到黑料∶白料在20∶10(mL)屬于實驗研究最優(yōu)配比。將計量好的粉煤灰加入到模具中做成有形狀的樣品便于檢測，再加入已磨好黑料用玻璃棒將粉煤灰與黑料進行攪拌直到攪拌均勻，為讓反應充分。加入白料再用玻璃棒進行攪拌，會出現(xiàn)粘稠現(xiàn)象，但必須將其攪拌均勻，會得到松泥土的樣子即可。隨即加入發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑。最后加入催化劑進行催化反應。加入80 ℃恒溫水浴鍋中開始要迅速攪拌為了讓反應更加充分，5 min后反應開始，冒出白色的煙霧，產(chǎn)生大量的熱。樣品開始發(fā)泡膨脹，漲到一定的高度后，反應開始停止不再膨脹發(fā)泡。靜止等到冷卻后就得樣品，最終得到的粉煤灰/聚氨酯復合材料。

2.2 粉煤灰/聚氨酯復合材料制備單因素實驗

2.2.1 因素一：催化劑

實驗所需催化劑用量通過計算占總體系的:0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。得到催化劑所需最好催化反應用量。

2.2.2 因素二：穩(wěn)泡劑

通過控制穩(wěn)泡劑用量占總體系的0.1%、0.6%、1.1%、1.6%。根據(jù)實驗的穩(wěn)泡效果得到最好穩(wěn)泡劑用量。

2.2.3 因素三：粉煤灰的占總體系的量

通過改變加入粉煤灰的量能與聚氨酯形成性能比較具有抗性的復合材料，,通過查找相關(guān)文獻可知計算占總體系粉煤灰的量可定為：2.5%、3.5%、4.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。以找到最佳硬度的樣品。

2.2.4 因素四：改變發(fā)泡劑

總體系計算發(fā)泡劑的用量設(shè)定值1%、1.5%、2%、2.5%。通過實驗找出最優(yōu)發(fā)泡劑用量。

2.3 單因素實驗的結(jié)果分析

2.3.1 催化劑的單因素實驗結(jié)果分析

圖1 改變催化劑抗壓縮應力圖

經(jīng)過催化劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應力測試，通過圖1可知催化劑為0.4%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應力，最大為36 MPa。

2.3.2 穩(wěn)泡劑的單因素實驗結(jié)果分析

經(jīng)過穩(wěn)泡劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應力測試，通過圖2可知穩(wěn)泡劑為0.1%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應力，最大為250 MPa。

圖2 改變穩(wěn)泡劑抗壓縮應力圖

2.3.3 粉煤灰的單因素實驗結(jié)果分析

經(jīng)過粉煤灰單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應力測試，通過圖3可知粉煤灰為8.5%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應力，最大為400 MPa。

圖3 改變粉煤灰抗壓縮應力圖

2.3.4 發(fā)泡劑的單因素實驗結(jié)果分析

圖4 改變發(fā)泡劑抗壓縮應力圖

經(jīng)過發(fā)泡劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應力測試，通過圖4可知發(fā)泡劑為1%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應力，最大為315 MPa。

2.3.5 制備粉煤灰/聚氨酯復合材料的最好占比

通過單因素實驗找到各個因素最好占比為催化劑0.4%、穩(wěn)泡劑0.1%、粉煤灰8.5%。找到各個因素最優(yōu)占比提高了粉煤灰/聚氨酯復合材料的性能和復合材料的抗壓縮應力。經(jīng)過對改變發(fā)泡劑的單因素實驗，可知體系本身具有發(fā)泡效果，加入發(fā)泡劑只是讓體系發(fā)泡均勻，維穩(wěn)體系反應。

2.4 正交實驗設(shè)計與結(jié)果

2.4.1 正交試驗的設(shè)計

通過科學的方法，進行實驗研究。正交實驗是多因素多水平的又一種設(shè)計方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。單因素進行分析后，根據(jù)抗壓縮測試圖的變化趨勢圖，復合材料所承受抗壓應力的大小程度，決定正交實驗，設(shè)定為正交實驗計劃表如表1。

表1 實驗計劃水平表

2.4.2 正交試驗的結(jié)果

通過測試復合材料抗壓縮應力的方法，得到實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗結(jié)果表

2.4.3 正交實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗樣品材料的抗壓縮應力為主要指標，對實驗結(jié)果進行了直觀分析，結(jié)果如表3所示。

通過表3可以直觀看出各列對實驗因素指標的影響，級差D2=155.500最大，依次是D1=148.750，D4=132.250最小D1=87.500。通過實驗可知各個因素對實驗指標的影響是發(fā)泡劑、催化劑、粉煤灰、穩(wěn)泡劑。最佳樣品為實驗11的樣品。而這也與8.5%的最大抗壓縮強度實驗結(jié)果相符合。

表3 直觀分析表

3 實驗結(jié)果

實驗經(jīng)過單因素實驗再進行正交試驗，以測試材料的抗壓縮應力為指標，得出最好的制備工藝的條件為：粉煤灰8.5%、發(fā)泡劑1%、穩(wěn)泡劑0.1%、催化劑0.4%。在此條件小制備出的復合材料有著較好的應用價值。其中的發(fā)泡劑對材料性能影響最大，再到催化劑、粉煤灰、穩(wěn)泡劑。通過正交實驗結(jié)果可以的得出，粉煤灰/聚氨酯復合材料各個因素的最佳用量為粉煤灰8.5%、發(fā)泡劑1%、穩(wěn)泡劑0.1%、催化劑0.4%。進行制備可得抗壓縮強度高的復合材料。復合材料有著很好防震、防水、耐熱、強度較高得性能，這種材料的抗壓性能較好，具有潛在的工業(yè)應用價值。