保溫工程用聚氨酯硬質泡沫材料的制備研究

楊瑞卿,楊志,李績,鄭力菲,賈迎澤

(山西省建筑科學研究院,山西 太原 030001)

聚氨酯硬質泡沫材料(RPUF)是由聚醚(或聚酯)多元醇及多異氰酸酯在發泡劑、催化劑、泡沫穩定劑等助劑的存在下反應而制得。由于其閉孔率較高,具有導熱系數小、強度高、防水防潮、施工簡便、容易加工成型等特點,因而在冰箱冷柜、工業管道保溫、建筑外墻保溫等方面有著重要的應用[1]。本文采用一步法,即將聚醚組分多種所需原料依次添加混合均勻后與異氰酸酯組分反應發泡成型[2]。采用單變量因素法對原料的組合配比進行了研究,通過物理性能檢測得到了符合標準要求、性能優異的聚氨酯硬質泡沫材料。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

多異氰酸酯粗MDI(PAPI)、聚醚多元醇4110、聚醚多元醇380、聚醚多元醇310、聚醚多元醇403、聚酯多元醇D504、HFC141b、硅油AK8805、三(2-氯異丙基)磷酸酯(TCPP)、二甲硫己甲苯二胺均為工業級；胺類催化劑PC5、辛酸亞錫、三乙醇胺、三羥甲基丙烷均為分析純；氫氧化鋁,國產工業級；自制去離子水。

模具150 mm×150 mm×50 mm,自制；RGT-X010萬能試驗機；JJ-1BA懸壁式數顯電動攪拌器；JC型電熱鼓風干燥箱；QTM-500型導熱系數測定儀；JF-3氧指數測定儀。

1.2 制備配方

保溫工程用聚氨酯硬質泡沫材料參考配方見表1。

表1 聚氨酯硬質泡沫材料基本配方Table 1 Basic formula of the polyurethane rigid foam

1.3 雙組份聚氨酯硬質泡沫材料的制備

將聚醚多元醇、發泡劑、泡沫穩定劑、催化劑和水加入300 mL燒杯中,在室溫下,電動混合攪拌均勻,作為A組分白料；以異氰酸酯作為B組分黑料加入其中。按照AB組分的質量比1∶1混合,攪拌至混合液泛乳白,有氣泡時即注入自制的模具中室溫自然發泡、脹定成型,固化后脫模。

1.4 性能測試

制得試樣在(23±2)℃條件下放置7 d,通過卡尺試樣狀態結合GB/T 8811規定測量試樣前后尺寸變化；將材料切成100 mm×100 mm×50 mm立方體樣品,依據GB/T 8813—2008在萬能試驗機上進行壓縮性能測試；依據GB/10297測定樣品的導熱系數；根據GB/2406用氧指數測定儀測定制品的氧指數。

2 結果與討論

2.1 聚醚多元醇對RPUF的影響

多元醇是反應的主料,其用量和配比對聚氨酯硬泡結構和性能影響較大。以聚醚多元醇4110為基本原料,分別復配聚醚多元醇380、聚醚多元醇310、聚酯多元醇D504、高活性聚醚多元醇H403四種不同的聚醚,質量比均為4∶1時,制得聚氨酯硬質泡沫材料的性能見表2。

由表2可知,聚醚380復配使用壓縮強度值最高,因二者羥值均400 mgKOH/g左右,生成較高硬段含量的泡沫材料產品。聚醚310為低羥值低粘度的聚醚多元醇,對體系粘度起到改善作用,卻降低了硬質泡沫材料的壓縮強度。D504為聚酯型多元醇,發泡凝膠反應相對于聚醚型多元醇更快,發泡倍數較大,表觀密度變小。高活性聚醚H403,因其羥值高,具有催化活性,反應過程最快,發泡倍數最大。

表2 聚醚多元醇4110與不同種類聚醚復配對 聚氨酯硬質泡沫材料性能的影響Table 2 Polyether polyol 4110 with different types of polyether complex on the performance of the polyurethane rigid foam

2.2 異氰酸酯指數對RPUF的影響

異氰酸酯指數是配方中異氰酸酯過量的程度,即R值。選用聚醚多元醇4110和380復配使用,異氰酸酯指數分別為1,1.05,1.1,1.15,1.2時,考察其對RPUF壓縮強度的影響,結果見圖1。

圖1 異氰酸酯指數對制品壓縮強度的影響Fig.1 Effect of isocyanate index on the compressive strength of the product

由圖1可知,壓縮強度值隨著異氰酸酯指數的增大呈現先增大后減小的趨勢。由于隨著R值的增大,反應體系中游離的異氰酸酯增多,加快了反應初始速度,使得聚合度增大。R值過高會導致消耗較多的黑料組份,同時副反應增多也會造成擴鏈交聯,降低產物的聚合度。

2.3 阻燃劑的添加量對RPUF的影響

聚氨酯屬于有機高分子材料,遇火易燃燒,因而對聚氨酯制品阻燃性的要求是不可忽視的[3]。選用了常用的有機液態添加型阻燃劑TCPP,考察其用量對阻燃性能的影響,結果見圖2。

圖2 TCPP加入量與氧指數的相互關系Fig.2 The relationship between TCPP addition and oxygen index

由圖2可知,隨著阻燃劑TCPP的增加,制品氧指數提高,添加量占原料組份質量百分數達到23%以上時能達到離火自熄要求。由于TCPP粘度小,阻燃的同時具有增塑劑的作用,添加量過大往往會造成硬泡制品回縮嚴重,強度降低[4]。

為了改善制品性能并使之達到GB 8624—2012規定的B1級阻燃要求,選用了TCPP與無機類固體粉末阻燃劑Al(OH)3復配使用,質量比分別為1∶1,2∶1,3∶1,4∶1。結果見表3。

表3 TCPP和Al(OH)3比例對聚氨酯硬質泡沫材料的影響Table 3 The ratio of TCPP and Al (OH)3 on polyurethane rigid foam

由表3可知,當TCPP與Al(OH)3的質量比為3∶1時,得到的硬質泡沫材料阻燃等級為B1級,且尺寸穩定成型后基本無變化。

2.4 水含量對RPUF的影響

在聚氨酯硬質泡沫材料合成中,水是重要的化學發泡劑,能夠與異氰酸酯生成脲基甲酸酯和CO2,1 g水能夠消耗約15 g PAPI,少量的水即能消耗大量異氰酸酯,分別添加0.05%,0.1%,0.15%,0.2%,0.25%,0.3%時,考察其對RPUF壓縮程度的影響,結果見圖3。

圖3 水含量對制品壓縮強度的影響Fig.3 The effect of water content on the compressive strength of the product

由圖3可知,聚氨酯硬質泡沫材料的壓縮強度隨著水添加量的增加而減小,水作為化學發泡劑,加入量越大,初始反應越迅速,內部產生較大的泡孔,發泡倍數變大,密度減小,壓縮強度降低[5]。當加入量達到0.3%時,硬泡外皮較脆,呈渣狀。

2.5 交聯劑對RPUF的影響

為了提高聚氨酯制品的硬度,配方中加入了小分子交聯劑TMP、三乙醇胺、胺類固化劑二甲硫基甲苯二胺,考察其制品性能的影響,結果見表4。

表4 交聯劑對聚氨酯硬質泡沫材料的性能影響Table 4 Effect of crosslinking agents on properties of polyurethane rigid foam

由表4可知,不同種類的交聯劑對發泡體系的影響不同,TMP作交聯劑得到制品密度及壓縮強度最大,三乙醇胺不僅可以作為交聯劑使用,同時還具有催化作用,因而其發泡倍數較TMP大,同時制品外觀均勻,E300作為交聯劑得到制品性能相對較差,有開裂現象,表皮呈渣狀。

2.6 產品性能的測試

通過上述討論,采用聚醚4110與聚醚380復配使用,在基礎配方上添加三乙醇胺作為交聯劑,采用TCPP與Al(OH)3復配使用作為阻燃劑制備出了聚氨酯硬質泡沫材料,按照1.4節的檢測方法測試制品性能,結果見表5。

表5 雙組分保溫用聚氨酯硬質泡沫材料的性能Table 5 Properties of two-component thermal insulation rigid polyurethane foam

由表5可知,按照相關標準的檢測方法,所得制品的檢測結果能夠滿足保溫工程領域的應用要求,如GB/T 50538—2010《埋地鋼質管道防腐保溫層技術規范》規定的主要性能指標：密度40～70 kg/m3；導熱系數≤0.03 W/(m·k)。

3 結論

本實驗通過對體系中原料的考察,表明采用聚醚4110和聚醚380復配體系下制品壓縮強度最大,發泡體系水含量不宜過多,約占多元醇0.2%即可,復合阻燃劑的添加能夠在不影響制品性能的基礎上達到阻燃目的,不同的交聯劑對制品性能影響不同,三乙醇胺效果最佳。

雙組份保溫工程用聚氨酯硬質泡沫材料是目前市場上保溫效果最好的產品之一。其不僅有著較低的導熱系數,而且施工過程簡單,無接縫,適合噴涂和澆注,對氣候適應能力強。本文確定了合適的白料體系配比,使得發泡反應與凝膠反應達到動態的平衡,成型過程溫度適中,而且固含量高無需添加揮發性增塑劑,制品性能優異,達到了規定標準,具有很好的經濟效益和市場前景。