硅藻土改性硬质聚氨酯泡沫性能研究

祝志雄 ，俞毅 ，王恒华 ，应晓猛 ，胡名卫 ，周聪聪

（1.浙江省建筑材料科学研究所有限公司，浙江 杭州 311122；2.义乌市墙体材料改革办公室，浙江 义乌 322000）

0 前言

硬质聚氨酯泡沫具有优异的保温性能、较高的强度，并且质轻、施工安装方便，作为建筑材料应用较广[1]。硬质聚氨酯泡沫虽然具有优异的性能，但为了使其具有更好的性能，对其研究也越来越多，特别是通过填料对硬质聚氨酯泡沫进行改性[2]。国内外对硬质聚氨酯泡沫的改性研究有添加空心玻璃微珠、玻璃纤维、可膨胀石墨等。

硅藻土是一种硅质岩石，主要成分为SiO2、质轻、具有多孔结构，可作为一种优异的无机填料[3]。本研究主要通过将硅藻土掺入到聚氨酯发泡反应中，制备硬质聚氨酯泡沫，通过分析其基本性能，得出硅藻土在聚氨酯中的应用情况。

1 试验

1.1 主要原材料

多亚甲基多苯基异氰酸酯：25℃粘度150～250 mPa·s，绍兴市华创聚氨酯有限公司；聚醚多元醇：4110，羟值349 KOH mg/g，25 ℃粘度（2500±50）mPa·s；二月桂酸二丁基锡：化学纯；三乙醇胺：分析纯；硅油：AK-8805，绍兴市华创聚氨酯有限公司；硅藻土：主要化学成分为SiO2，密度0.47 g/cm3，细度325～500目，分析纯，天津市鼎盛鑫化工有限公司；硅烷偶联剂：KH-560，含量≥98%，密度 1.068～1.075 g/cm3，南京创世化工助剂有限公司；蒸馏水：自制。

1.2 硅藻土处理

硅藻土是一种无机材料，要对其进行改性，使其能够均匀地分布在硬质聚氨酯泡沫中。对硅藻土的改性主要将硅藻土浸泡到1%KH-560溶液中1 h，然后放入烘箱中烘干，保证硅藻土表面有1层偶联剂包裹。

1.3 硬质聚氨酯泡沫发泡过程

本试验采用一次发泡法，先称取一定质量的原材料，然后将聚醚多元醇、水、催化剂混合在一起，放到搅拌机中搅均匀，再将硅藻土掺入到混合料中，搅拌均匀，放入水浴锅中保持恒温（30℃），最后将混合料与异氰酸酯混合，搅拌20 s左右，当变成乳白色液体时将其倒入模具（40℃）中，发泡得到所需规格样品。硬质聚氨酯泡沫（PUF）根据GB/T 2918—1998《塑料试样状态调节和试验的标准环境》要求进行养护，然后测试其性能。

1.4 性能测试方法

导热系数按照GB/T 3399—1982《塑料导热系数试验方法护热平板法》进行测试；压缩强度按照GB/T8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》，冲击强度按照GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》进行测试，力学性能测试中取6个有效样的平均值；尺寸稳定性按照GB/T 8811—2008《硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法》取3个有效样测试；氧指数按照GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分:室温试验》进行测试；孔结构通过扫描电镜观察，选取泡沫中间的一小块，以发泡过程横向进行切割，将泡沫放入扫描电镜中进行孔结构观察。

2 试验结果与讨论

2.1 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫导热系数的影响（见图1）

图1 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫导热系数的影响

由图1可以看出，随着硅藻土掺量的增加，PUF的导热系数先减小后增大，在硅藻土掺量为15%时，PUF的导热系数最低，相对于纯水发泡要降低8.0%。这可能是由于硅藻土内部具有很多孔，这种特殊的多孔结构物质添加到PUF中后，会吸附在泡沫孔壁之间，作为一个支撑作用，硅藻土中的特殊孔会与聚氨酯泡孔相连接，增大了孔的面积，使泡孔中气体数量增加，其导热系数就会相应的减小；当硅藻土掺量进一步增加，会有大量硅藻土吸附在泡孔壁上，使泡孔结构破坏，甚至会使封闭孔的数量减少，导热系数增大。

2.2 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响

通过对表观密度的测试与分析，可有效得出PUF的相对质量，以及施工简易程度，因此，研究PUF表观密度的变化对其在建筑施工中的应用有很重要的意义[4]。

图2为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响。

图2 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响

由图2可以看出，硅藻土的掺入对PUF的表观密度影响不大，随硅藻土掺量的增加，表观密度有所增加，但增加量并不多。这是由于硅藻土质轻，颗粒结构较小，加入到PUF后，对其整体泡沫的表观密度影响不大。

2.3 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫孔结构的影响

图3为硬质聚氨酯泡沫的泡孔结构，其中图 3（a）～（e）硅藻土掺量分别为5%、10%、15%、20%，均为放大50倍后的泡孔结构，图3（f）为硅藻土掺量15%放大350倍的泡孔结构。

由图3可明显看出：纯PUF的泡孔结构相对较大，当加入硅藻土后，泡孔变小，变得更加的密实，当掺入15%硅藻土时，泡孔结构相对较好，再继续掺入20%硅藻土时，可看出泡孔中有少量硅藻土发生团聚，泡孔也出现一定的破裂；由图3（f）可见，硅藻土填充到PUF泡孔壁之间，对整个泡孔起到支柱作用，保证PUF有更加优异的性能。

图3 不同硅藻土掺量硬质聚氨酯的泡孔结构

对硬质聚氨酯的泡孔结构分析可明显看出，硅藻土作为填料加入到硬PUF中后，PUF泡孔结构变得更加的致密，且能够作为支柱结构存在于泡孔之间。硅藻土可有效改善PUF的泡孔结构，适量硅藻土的掺入，可使泡孔更加均匀，而过多的加入会使泡沫出现团聚，破坏孔结构，导致泡沫性能的下降。

2.4 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫力学性能的影响

图4、图5分别为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫压缩强度和冲击强度的影响。

图4 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫压缩强度的影响

由图4可见，随着硅藻土掺量的增加，PUF的压缩强度先有所提高，当掺量为15%时，压缩强度最高，比未掺硅藻土时强度约提高10%；但随硅藻土继续掺入，其强度开始下降。这是由于适量硅藻土的掺入，PUF的孔结构会变得密实，硅藻土也会吸附在泡孔壁上，使PUF的压缩强度相应提高；但当掺量过多时，会发生团聚，破坏泡孔结构，导致压缩强度下降。

图5 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫冲击强度的影响

由图5可知，随硅藻土掺量的增加，PUF的冲击强度先提高后降低。当硅藻土掺量为5%时，冲击强度最高，比未掺硅藻土的约提高4.3%。硅藻土中的SiO2可能会参与到反应中，与泡沫中间产物中的羟基进行结合，发生接枝共聚反应，以此粘 附到泡孔壁上，使冲击性能得以提升。当硅藻土掺量进一步提高，大量的无机材料粘结在一起后会使脆性增大，使得冲击强度降低。

2.5 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性的影响

水发泡聚氨酯反应是通过水与异氰酸酯反应，生成CO2，CO2作为发泡剂参与到反应中，最后填充到泡孔中，形成保温性能较好的材料。PUF是一种具有大量封闭孔的材料，当温度上升到临界温度后，随温度继续升高，会破坏泡孔结构，使CO2气体溢出，出现收缩，收缩过大会影响PUF的性能。图6为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性的影响。

图6 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性影响

由图6可见，随硅藻土掺量的增加，PUF的尺寸稳定性提高，在掺量为15%时稳定性最好；当硅藻土掺量继续增加，稳定性相对变差，但比未添加硅藻土时要好。这是由于硅藻土是一种无机材料，其本身具有很好的稳定性，当掺入到PUF中后会吸附在泡孔壁上，增加了泡孔壁的强度，稳定性也会相应提高，而掺量过多后，会破坏一些泡孔壁，但相对于未掺入的稳定性要好，说明破坏的泡孔壁并不是很多。

2.6 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫阻燃性能的影响

图7为硅藻土对硬质聚氨酯泡沫氧指数的影响。

图7 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫氧指数的影响

由图7可以看出，随硅藻土掺量的增加，PUF的氧指数先增大，当掺量为20%时最大；但随硅藻土的继续掺入，氧指数反而下降。因为硅藻土是一种无机材料，其加入会相应提高PUF的阻燃性能，但由于硅藻土掺量并不是很多，硅藻土也不是阻燃材料，氧指数的增加量也不明显。

3 结论

（1）在水发泡硬质聚氨酯泡沫中，当硅藻土掺量为15%时，PUF的保温性能与压缩强度均较好，相较于未掺硅藻土的试样，导热系数下降约8.0%，压缩强度提高约10.0%；硅藻土掺量为5%时，冲击强度较未掺硅藻土的试样提高4.3%。

（2）硅藻土可有效改善硬质聚氨酯泡沫的泡孔结构，掺入一定量的硅藻土会使PUF的泡孔变得更加的致密，但过多则会破坏泡孔结构，但并不影响PUF的表观密度。

（3）掺入适量的硅藻土可改善硬质聚氨酯泡沫的尺寸稳定性，并提升PUF的阻燃性能。