粉煤灰/聚氨酯硬泡复合材料的制备及性能的研究

赵雪岚，王仁舒，冯 静

(六盘水师范学院 化学与材料工程学院，贵州 六盘水 553004)

聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子主链上含有许多重复的氨基甲酸酯基团的高分子化合物统称为聚氨基甲酸酯[1]。聚氨酯(PU)的主链是含有-NHCOO-重复结构单元的一类大分子聚合物[2]。是典型的多嵌段共聚物。它是低聚物多元醇和多异氛酸醋加成聚合后的产物[3]。聚氨酯弹性体是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料品种繁多，配方多样，可调范围广。聚氨酯弹性体由于综合性能出众而被广泛应用于民用、体育、航天、军事等领域，成为不可缺少的重要材料之一[4]。但由于其耐热、耐极性溶剂等性能还不够理想，其应用受到了一定程度的限制。为了进一步拓宽其应用领域，研究者一方面把特殊粒子加入体系以改善聚氨酯材料的一些性能[5]，另一方面通过改变制备方法来提高聚氨酯材料的性能[6]。

粉煤灰，就是燃煤电厂排出的一种主要固体废物，是从煤燃烧后的烟气中收捕下来的细灰[7]。而从我国燃煤电厂排出粉煤灰的主要氧化物组成为：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[8]。我国许多地方水资源缺乏，大部分地区还是依赖燃煤电厂的发电，随着电力工业的发展，燃煤电厂排放出的粉煤灰的量逐年增加，已经成为我国当前排量较大的工业废渣之一[9]。大量的粉煤灰不加处理，尤以燃煤电厂集中地区为甚。由于其特殊的物化性质，如不加以治理与综合利用，则会因扬尘、堵塞河道、有毒重元素渗透等原因，造成大气、水系、土壤等环境污染，对当地生态环境造成很大污染及对人民生产生活造成极大负面影响。粉煤灰是可以资源化利用，如可以作为混凝土的掺合料等[10]。本项研究以粉煤灰为填料，进行抗压缩性能测试，探讨复合材料实用性，并期望能为粉煤灰的综合利用拓宽渠道[11]。白料是通过甘油与环氧丙烷以氢氧化钾为催化剂，在油浴锅恒温80 ℃温度下搅拌8 h得到共聚物。是一种具有粘稠性透明液体。黑料使用4,4'-MDI，又称异氰酸苯酯。用研磨将黑料磨成粉，然后用80目的筛子进行筛分。

1 实验药品及仪器设备

药物：丙三醇，环氧丙烷，氢氧化钾，碳酸氢铵，吐温80，N-乙基吗啉，粉煤灰，异氰酸苯酯。仪器设备：电子天平，数显恒温水浴锅，电热鼓风干燥箱，冷凝管，集热式恒温加热磁力搅拌器，分子筛。

2 实验过程

2.1 黑料和白料的混合

将已磨好的黑料按比例秤好，倒入模具中去，用针筒抽取比例的白料打入模具中去。加入后用玻璃棒将黑料与白料搅拌均匀，将模具移到水浴锅中，水浴锅加热到80 ℃。黑料开始融化充分与白料接触经过5 min后开始反应直到完全聚合。在这个过程中产生一定量的白烟，会产生大量的热。直到不再发泡，黑料与白料已经聚合，冷却完测试最抗压缩则是最优配比。

通过实验得到黑料∶白料在20∶10(mL)属于实验研究最优配比。将计量好的粉煤灰加入到模具中做成有形状的样品便于检测，再加入已磨好黑料用玻璃棒将粉煤灰与黑料进行搅拌直到搅拌均匀，为让反应充分。加入白料再用玻璃棒进行搅拌，会出现粘稠现象，但必须将其搅拌均匀，会得到松泥土的样子即可。随即加入发泡剂和稳定剂。最后加入催化剂进行催化反应。加入80 ℃恒温水浴锅中开始要迅速搅拌为了让反应更加充分，5 min后反应开始，冒出白色的烟雾，产生大量的热。样品开始发泡膨胀，涨到一定的高度后，反应开始停止不再膨胀发泡。静止等到冷却后就得样品，最终得到的粉煤灰/聚氨酯复合材料。

2.2 粉煤灰/聚氨酯复合材料制备单因素实验

2.2.1 因素一：催化剂

实验所需催化剂用量通过计算占总体系的:0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。得到催化剂所需最好催化反应用量。

2.2.2 因素二：稳泡剂

通过控制稳泡剂用量占总体系的0.1%、0.6%、1.1%、1.6%。根据实验的稳泡效果得到最好稳泡剂用量。

2.2.3 因素三：粉煤灰的占总体系的量

通过改变加入粉煤灰的量能与聚氨酯形成性能比较具有抗性的复合材料，,通过查找相关文献可知计算占总体系粉煤灰的量可定为：2.5%、3.5%、4.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。以找到最佳硬度的样品。

2.2.4 因素四：改变发泡剂

总体系计算发泡剂的用量设定值1%、1.5%、2%、2.5%。通过实验找出最优发泡剂用量。

2.3 单因素实验的结果分析

2.3.1 催化剂的单因素实验结果分析

图1 改变催化剂抗压缩应力图

经过催化剂单因素实验，在各个因素得到样品材料中进行抗压缩应力测试，通过图1可知催化剂为0.4%时候用量得到最好抗压缩性能材料，所承受抗压应力，最大为36 MPa。

2.3.2 稳泡剂的单因素实验结果分析

经过稳泡剂单因素实验，在各个因素得到样品材料中进行抗压缩应力测试，通过图2可知稳泡剂为0.1%时候用量得到最好抗压缩性能材料，所承受抗压应力，最大为250 MPa。

图2 改变稳泡剂抗压缩应力图

2.3.3 粉煤灰的单因素实验结果分析

经过粉煤灰单因素实验，在各个因素得到样品材料中进行抗压缩应力测试，通过图3可知粉煤灰为8.5%时候用量得到最好抗压缩性能材料，所承受抗压应力，最大为400 MPa。

图3 改变粉煤灰抗压缩应力图

2.3.4 发泡剂的单因素实验结果分析

图4 改变发泡剂抗压缩应力图

经过发泡剂单因素实验，在各个因素得到样品材料中进行抗压缩应力测试，通过图4可知发泡剂为1%时候用量得到最好抗压缩性能材料，所承受抗压应力，最大为315 MPa。

2.3.5 制备粉煤灰/聚氨酯复合材料的最好占比

通过单因素实验找到各个因素最好占比为催化剂0.4%、稳泡剂0.1%、粉煤灰8.5%。找到各个因素最优占比提高了粉煤灰/聚氨酯复合材料的性能和复合材料的抗压缩应力。经过对改变发泡剂的单因素实验，可知体系本身具有发泡效果，加入发泡剂只是让体系发泡均匀，维稳体系反应。

2.4 正交实验设计与结果

2.4.1 正交试验的设计

通过科学的方法，进行实验研究。正交实验是多因素多水平的又一种设计方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。单因素进行分析后，根据抗压缩测试图的变化趋势图，复合材料所承受抗压应力的大小程度，决定正交实验，设定为正交实验计划表如表1。

表1 实验计划水平表

2.4.2 正交试验的结果

通过测试复合材料抗压缩应力的方法，得到实验结果如表2所示。

表2 正交实验结果表

2.4.3 正交实验结果分析

根据实验样品材料的抗压缩应力为主要指标，对实验结果进行了直观分析，结果如表3所示。

通过表3可以直观看出各列对实验因素指标的影响，级差D2=155.500最大，依次是D1=148.750，D4=132.250最小D1=87.500。通过实验可知各个因素对实验指标的影响是发泡剂、催化剂、粉煤灰、稳泡剂。最佳样品为实验11的样品。而这也与8.5%的最大抗压缩强度实验结果相符合。

表3 直观分析表

3 实验结果

实验经过单因素实验再进行正交试验，以测试材料的抗压缩应力为指标，得出最好的制备工艺的条件为：粉煤灰8.5%、发泡剂1%、稳泡剂0.1%、催化剂0.4%。在此条件小制备出的复合材料有着较好的应用价值。其中的发泡剂对材料性能影响最大，再到催化剂、粉煤灰、稳泡剂。通过正交实验结果可以的得出，粉煤灰/聚氨酯复合材料各个因素的最佳用量为粉煤灰8.5%、发泡剂1%、稳泡剂0.1%、催化剂0.4%。进行制备可得抗压缩强度高的复合材料。复合材料有着很好防震、防水、耐热、强度较高得性能，这种材料的抗压性能较好，具有潜在的工业应用价值。