硅灰石/蓖麻油型中高密度聚氨酯硬泡材料的研究

2020-04-17陆波姜可健徐洲彤胡军

聚氨酯工业 2020年5期

陆波姜可健徐洲彤胡军

(沈阳化工大学材料科学与工程学院辽宁沈阳 110142)

聚氨酯泡沫塑料具有多孔结构,相对密度小,比强度高,密度在400～600 kg/m3的中高密度硬质聚氨酯泡沫塑料主要作为仿木材料,常用于家具的生产和制造[1-2]。由高官能度的硬泡聚醚多元醇合成的聚氨酯硬泡,其脆性是由高交联密度所致。含有羟基的蓖麻油可用于聚氨酯的合成,其官能度接近3[3-4],远低于硬泡聚醚多元醇的官能度,具有长柔性链的特点,可以用于改善聚氨酯硬泡的脆性。

硅灰石(CaSiO3)是一种三斜晶系细板状晶体,集合体呈放射状或纤维状,发育的晶体多为长柱状或针状晶形,是天然产出的偏硅酸钙矿物。硅灰石粉末用作反应注射成型聚氨酯、聚氨酯硬泡等的填料,可有效增强复合材料的尺寸稳定性。但硅灰石的过量填充会降低材料的拉伸强度[5-6]。

本研究以硅灰石为聚氨酯硬泡的填料,讨论了蓖麻油含量、硅灰石含量等因素对聚氨酯硬泡性能的影响,从中寻找规律,以求制得机械加工性能优良并且尺寸稳定性好的硅灰石/蓖麻油型中高密度聚氨酯硬泡材料,用于替代木材制作模型板。

1 实验部分

1.1 主要原料与设备

多苯基多亚甲基多异氰酸酯(PAPI),工业级，万华化学集团股份有限公司;聚醚多元醇1050(羟值450 mgKOH/g,f>5),工业级，佳化化学股份有限公司;聚醚多元醇DSV-125(羟值163 mgKOH/g,f=3),工业级，山东蓝星东大化工有限责任公司;精炼蓖麻油(羟值163 mgKOH/g,f=2.7),工业级，武汉普洛夫生物科技有限公司;三乙醇胺、N,N-二甲基环己胺,化学纯，国药集团化学试剂有限公司;γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷(KH-560),工业级，江苏晨光偶联剂有限公司;针状硅灰石,1250目(10 μm),调兵山市佳特建材有限公司;泡沫稳定剂HK-314,工业级，山东省济宁市华凯树脂有限公司。

RGL-30A型电子万能试验机,深圳瑞格尔仪器公司;XD-B型实验分散磨砂机,莱州市金骏化工机械有限公司;JSM-6360LV型扫描电子显微镜,日本电子公司;Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪,赛默飞世尔科技有限公司。

1.2 聚氨酯硬泡配方设计

采用以下全水发泡聚氨酯硬泡配方(以质量份数计):聚醚多元醇(聚醚多元醇1050与聚醚多元醇DSV-125质量比为1∶1)与蓖麻油合计100份;三乙醇胺2份,N,N-二甲基环己胺0.5份,泡沫稳定剂HK-314 2份,蒸馏水0.4份,PAPI 83～101份(异氰酸酯指数为1.0)。其中针状硅灰石为试样总重量的0、5%、10%、15%和20%，蓖麻油质量分数分别为4.0%、8.2%和12.8%。

1.3 制备工艺

将硅灰石放入110 ℃的烘箱中烘干2 h,与经乙醇稀释过的KH-560混合,充分干燥后备用。按照配比在塑料杯中装入聚醚多元醇、蓖麻油、助剂与硅灰石,并在分散磨砂机上分散3 min。再把PAPI倒入其中,高转速下均匀搅拌15～20 s,迅速倒入模具,合模,在50 ℃烘箱中固化5 h,再冷却到室温,脱模。分别制作了密度为600 kg/m3和470 kg/m3、截面为哑铃型的聚氨酯硬泡样块,室温放置24 h后,切割制成试样,进行测试。

1.4 分析与测试

冲击性能按照GB/T 1043.1—2008进行测试,测试采用简支梁,无缺口试样;压缩性能按照GB/T 8813—2008进行测试,压缩速度为5 mm/min;拉伸性能按照GB 9641—1988进行测试,拉伸速度为5 mm/min。

2 结果与讨论

2.1 蓖麻油及泡沫密度对硬泡性能的影响

为了研究蓖麻油含量对聚氨酯硬泡性能的影响,不添加硅灰石,分别制作两种中高密度的硬泡试样,对其进行性能测试,结果如表1所示。

表1 蓖麻油和泡沫密度对聚氨酯硬泡性能的影响

由表1可见,随着蓖麻油含量增加,硬泡的冲击强度上升,拉伸强度略微下降。这是由于蓖麻油官能度低,其中的脂肪酸长链结构柔性较好,降低了硬泡的脆性,使其韧性增加。

由表1还可看出,密度增大,硬泡的整体性能都有较大提升。这是由于硬泡的整体密度增加,泡孔壁所占的体积增大,基体能够承受更大的外力。

2.2 硅灰石及蓖麻油含量对硬泡压缩强度的影响

加硅灰石填料,且改变填料和蓖麻油含量,控制硬泡的密度均为600 kg/m3,研究了硅灰石及蓖麻油含量对聚氨酯硬泡性能的影响,结果见图1。

图1 硅灰石含量对聚氨酯硬泡压缩强度的影响

由图1可见,随着硅灰石含量的增加,硬泡的压缩强度均呈现下降趋势。因为硅灰石与基体树脂界面之间粘接性差,构成了硬泡中的缺陷,但下降幅度较小,在10%左右。填料含量相同时,随着蓖麻油含量的增加,大多数情况聚氨酯硬泡压缩强度降低。

2.3 硅灰石的改性对聚氨酯硬泡性能的影响

采用未改性的以及用KH560改性的硅灰石制作了密度约为600 kg/m3、蓖麻油质量分数为12.8%的硬泡试样,它们的性能如表2所示。

表2 硅灰石含量对聚氨酯硬泡性能的影响

由表2可见,随着硅灰石含量增加,聚氨酯硬泡的压缩强度降低,冲击强度呈降低趋势。这是因为无机材料与高分子材料间的极性差别,使硅灰石与硬泡的结合力差。

由表2还可看出，加入KH-560用作表面处理剂得到的活化的硅灰石,可以改善与聚氨酯树脂的相容性和结合力,因此改性的硅灰石比未改性的硅灰石制成的聚氨酯硬泡的压缩强度和冲击强度略有提升。

2.4 硅灰石对泡孔结构的影响

取密度为600 kg/m3、蓖麻油质量分数8.2%的不同聚氨酯硬泡试样,对其冲击断口做扫描电镜测试(放大倍数50),结果见图2。

图2 聚氨酯硬泡的泡孔结构SEM图

从图2a中可以看出，硬泡是闭孔结构,泡孔直径大小大约在0.24～0.30 mm之间。硬泡中基体树脂含量高,发泡过程中,在垂直于发泡方向上,模具对泡体膨胀的压力几乎是均匀的,这样形成了圆球形泡体。图2c至2d中可以发现,硅灰石的加入并没有引起泡孔形状的变化,泡孔形状呈圆球形,说明硅灰石对硬泡的发泡过程无影响。