竹炭聚氨酯软质泡沫塑料性能的研究

潘 炘，庄晓伟，陈顺伟，章江丽

（浙江林业科学研究院，浙江省森林资源与生物质化学利用重点实验室，浙江 杭州310029）

0 前言

聚氨酯是一类以多异氰酸酯与含有羟基、羧基、氨基等官能团多元醇反应制得的共聚物，具有高弹性、高弹性模量、良好的挠曲性以及耐磨、耐候、耐油脂、耐溶剂等优良性能，广泛应用于多种领域，被誉为性能优异的树脂。许多研究者通过改变聚氨酯的化学结构或者加入无机或有机填料等手段调节聚氨酯的性能，拓宽了其用途。加入一般无机材料可以提高材料的强度，但同时也会降低材料的其他性能，如韧性等［1－2］。

竹炭是20多年前才首先在日本兴起，并成为一个新兴的、综合型的朝阳产业。现在竹炭不仅应用于环境保护中，还广泛应用于农业、美容、功能保健等多个领域。而将竹炭加入聚氨酯中得到的竹炭聚氨酯泡沫塑料既有泡沫塑料的特点，又兼有竹炭优良的吸附性、远红外功能等，是一种可以广泛应用于建筑、装饰的新型材料，而竹炭聚氨酯泡沫塑料的研究鲜见报道。本文主要研究在聚氨酯泡沫塑料中添加竹炭引起的物理性能的改变。

1 实验部分

1．1 主要原料

聚氨酯基准配方，聚醚多元醇560S为36份，聚醚多元醇2000为36份，辛酸亚锡为0．1份，硅油为0．72份，氨水为0．15份，水为1．83份，4，4′－二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）／甲苯二异氰酸酯（TDI）为50／40份，浙江海宁塑料制品厂；

竹炭，4μm，含水率≤2%，浙江富来森中竹科技股份有限公司。

1．2 主要设备及仪器

顶置式机械搅拌器，KA RW20digital，德国IKA公司；

数显鼓风干燥箱，GZX－9030MBE，上海博迅实业有限公司；

质构仪，Texture－analysis Plus，英国Stable Micro Systems公司；

综合热分析仪，NETZSCHSTA409，德国耐驰公司；

色差计，TNI18X－Rite，美国爱色丽公司；

显微摄像仪，Olympus DP－71，日本奥林巴斯公司；

远红外双波段发射率测定仪，IR－2，中科院上海技术物理研究所；

负离子浓度测试仪，COM－3010，日本 COM－PRO公司。

1．3 样品制备

聚醚多元醇与竹炭共混，搅拌时间90s，搅拌器转速以200r／min为起始，30s后再提高至800r／min；然后将多元醇与MDI按1∶1．8的配料比加入相应的MDI，搅拌时间30s，搅拌器转速为800r／min；将搅拌好的料液快速导入模具中，置于（65±2）℃的烘箱中固化15min；取出冷却，放置72h后制样检测。

1．4 性能测试与结构表征

按GB／T 6343—2009测试泡沫塑料的表观密度；

按GB／T 6670—1997测试样品的落球回弹率；

按GB／T 10808—2006测试样品的撕裂强度；

按GB／T 6344—2008测试样品的拉伸性能，拉伸速率为500mm／min；

按GB／T 1087—2006测试样品的硬度，压陷法；

热失重（TG）分析：N2气氛，载气流速40mL／min，以20℃／min的升温速率从25℃升温至700℃。

2 结果与讨论

2．1 竹炭含量对表观密度的影响

从图1可见，随着竹炭含量的增大，聚氨酯泡沫塑料表观密度逐渐增大。不含竹炭的泡沫塑料的表观密度最小，为0．405g／cm3，竹炭含量为8%的样品表观密度最大，为0．574g／cm3。

样品的表观密度与竹炭含量成正比，究其原因，一是竹炭的加入，使聚氨酯泡体密度变大，二是竹炭的添加对泡体发泡过程有影响，用等量的物料发泡体积变小导致密度变大。

图1 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的表观密度Fig．1 Apparent density of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．2 竹炭含量对落球回弹性能的影响

从图2可知，样品中随着竹炭含量的增大，落球回弹率逐渐变大。不含竹炭的泡沫塑料的落球回弹率最小，为18．43%。竹炭含量为8%的样品落球回弹率最大，为23．2%。竹炭粒子活性表面可与若干大分子链相结合，竹炭在大分子链之间可能起到交联点的作用，样品中的竹炭含量越高则形成这样的交联点也多，大分子链之间的交联点增多，大分子链的柔性下降，因此样品整体的刚性上升，样品的落球回弹率增大。所以整体聚氨酯软质泡沫塑料刚性较强，加入复合竹炭粉对其影响显著。

图2 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的落球回弹率Fig．2 Resilience ratio of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．3 竹炭含量对力学性能的影响

图3 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的力学性能Fig．3 Mechanical properties of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

如图3所示，随着竹炭含量的增加，样品的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度大体呈现减小的趋势。力学性能试验结果表明竹炭的添加量对泡沫塑料力学性能影响的现象与玻璃微珠增强聚氨酯泡沫塑料研究的变化规律不一致。这可能是因为竹炭聚氨酯软质泡沫塑料密度较大。因此同样含量的复合竹炭粉相应地分散在较小的体积空间之内，进而可能产生粒子团聚。材料受外力作用时，易在此处引起应力集中而使泡体破坏。由于4μm竹炭粒径很小，很难达到均匀分散，很多集中在3个相邻气泡共同交界的三角区（plateau），所以没有出现类似橡胶中炭黑的补强作用。虽然力学性能受到竹炭含量的影响，但竹炭含量的不同对力学指数下降趋势的影响相对较缓和。在复合竹炭粉含量为2%以内，该泡沫塑料达到通用软质聚醚型聚氨酯泡沫塑料标准（GB／T 10802—2006）的要求。

竹炭在泡沫塑料中的分布不均匀，大部分分散在网络的结点处，当泡沫受力时，泡沫塑料内部应力平均分布状态被破坏，造成应力集中的现象。分布的竹炭成为破坏材料的薄弱环节，影响了泡沫的拉伸强度、撕裂强度及断裂伸长率。随着竹炭含量的增大，在泡沫网络和网络结点处分散的竹炭颗粒也随之增多，竹炭团聚现象明显。在拉伸作用下，竹炭颗粒团聚的区域不能有效地承受应力，产生应力集中，导致泡沫塑料的力学性能下降。另外也可能因为竹炭的加入导致聚氨酯中晶核数目增多，微晶的尺寸变得细小，有序性变差，起不到应有的补强作用。竹炭本身也可能因为团聚会疏松高分子材料，阻隔分子间交联与缠绕，使材料的韧性下降，刚性增加，使力学性能受到影响。竹炭含量越大，影响也越明显，如图4所示。同时力学性能的变化趋势也同样反映了复合材料中交联效果的变化趋势。

图4 不同竹炭含量聚氨酯泡沫塑料光学显微照片Fig．4 Optical micrographs for polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．4 竹炭含量对负离子及远红外发射性能的影响

从图5（a）可知，随着竹炭粉的加入，竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的负离子释放量成倍增长。说明竹炭的加入可以大大加强聚氨酯泡沫塑料负离子释放能力。这与聚氨酯慢回弹泡沫塑料负离子释放能力一致。如图5（b）所示，竹炭的加入可以改善聚氨酯泡沫塑料远红外发射能力，但总体增加趋势缓和。不含竹炭的样品与含8%竹炭的复合竹炭聚氨酯泡沫塑料的远红外发射率分别为0．887、0．983。

2．5 竹炭含量对色差的影响

色差评价问题一直是颜色科学领域和实际工业生产中的一个重要问题。客观地测量和评价色差数值的大小与人眼视觉上的差距，长期以来被认为是工业界一项困难而又必须解决的关键技术。色差就是指用数值的方式表示2种颜色给人色彩感觉上的差别。若2个彩色样品都按亮度（L＊）、红绿值（a＊）、黄蓝值（b＊）标定颜色，则两者之间的总色差ΔE以及各单项色差可用式（1）计算：

图5 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的负离子释放量和远红外发射率Fig．5 Anion release and far－infrared emissivity of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

从表1可知，加入竹炭后，聚氨酯软质泡沬L＊值越来越小，表明色度越来越偏黑。这与感观一致。总色差与L＊值变化规律一致，也与感观变化一致。

表1 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的色差值Tab．1 Aberration of polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

2．6 TG分析

从图6可知，聚氨酯软质泡沫塑料样品初始分解温度约在270℃。竹炭的添加对泡沫塑料热稳定性无影响，但添加复合竹炭粉使聚氨酯泡沫塑料的失重减少。这主要是因为700℃时竹炭热稳定性较好，竹炭添加量为8%的样品的失重率约为86．8%，而未添加竹炭的样品几乎完全失重，其失重率为99．62%。

图6 不同竹炭含量的竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的TG曲线Fig．6 TG curves for polyurethane foams with different contents of bamboo charcoal

3 结论

（1）以复合竹炭粉为填料，制备了物性良好、尺寸稳定、密度为0．405～0．574g／cm3的竹炭聚氨酯泡沫塑料，该泡沫塑料的回弹率随复合竹炭粉含量的增加而增加；

（2）竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度随复合竹炭粉含量的增加而变小；复合竹炭粉含量为8%时，聚氨酯泡沫塑料的拉伸强度、断裂伸长率、撕裂强度分别为纯聚氨酯泡沫塑料的63．87%、57．04%、55．32%；

（3）竹炭聚氨酯软质泡沫塑料的负离子释放能力随复合竹炭粉含量的增加而增加；复合竹炭粉对该泡沫塑料的远红外发射率的影响也呈正相关，其色差变化与感观一致，而竹炭粉的添加对泡沫塑料的热稳定性无影响。

［1］ Urgun Demirtas M，Singh D，Pagill K．Laboratory Investigation of Biodegradability of a Polyurethane FoamUnder Anaerobic Conditions［J］．Polymer Degradation and Stability，2007，92（8）：1599－1610．

［2］ 朱吕民，刘益军．聚氨酯泡沬塑料［M］．北京：化学工业出版社，2008：129－235．