超細煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能

劉銳利 曹 文 龐青濤

(陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司，陜西 西安 710100)

超細煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能

劉銳利 曹 文 龐青濤

(陜西煤業(yè)化工新型能源有限公司，陜西 西安 710100)

以聚合MDI和聚醚多元醇為原料，優(yōu)選發(fā)泡劑，加入改性超細煤粉作為填充劑，制備出硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料。通過測試煤粉填充聚氨酯泡沫材料的表觀密度、回彈率、壓縮強度和氧指數(shù)進行分析。結(jié)果表明，發(fā)泡劑H用量0.1 g時制備的聚氨酯泡沫壓縮強度、回彈率較好；加入KH550和KH560改性的超細煤粉，隨著煤粉用量增加，聚氨酯泡沫的壓縮強度、氧指數(shù)得到明顯改善。當KH560改性煤粉用量為15份時，聚氨酯性能最優(yōu)，壓縮強度達到0.40 MPa，氧指數(shù)達到21%，回彈率為5.4%，密度為0.064 g/cm3。

聚氨酯泡沫 力學性能 氧指數(shù) 超細煤粉

聚氨酯泡沫具有優(yōu)良的聲學、電學、耐溶劑、保溫性能。廣泛應用于汽車、冰箱的制造業(yè)、交通運輸業(yè)、建筑行業(yè)、鞋業(yè)、石油化工、航空等許多領域，已成為生活不可缺少的材料之一。近年來，聚氨酯于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、三廢治理、國防軍事等領域開辟了新的用途[1]。在應用中，聚氨酯的成本及力學性能的改善均需要添加部分填料得以實現(xiàn)，其主要集中于膨脹石墨(EG)、珍珠巖粉[2,3]，炭黑、空心玻璃、粉末尼龍[4]、木質(zhì)素纖維[5]及納米材料。珍珠巖粉不僅可以降低聚氨酯的成本，也進一步改善保溫性能，提高了阻燃性?？招牟Ａ⒅榧尤牒?，聚氨酯泡沫的泡孔減小，壓縮強度提高，而對材料的阻尼性無顯著影響。聚倍半硅氧烷(POSS)作為納米無機/有機雜化材料引入聚氨酯泡沫體系，能夠明顯提高聚氨酯泡沫的熱穩(wěn)定性、耐水性和耐候性等性能。

超細煤粉具有比表面積大、與聚合物相容性好的特點，已經(jīng)作為填充材料替代炭黑應用于聚合物領域[6，7]。以煤粉制備過程中分離出的超細煤粉為原料，經(jīng)改性處理后，與聚氨酯具有較好的相容性，其可有效降低聚氨酯的成本，為此，以改性超細煤粉為填充劑，研究超細煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能，為超細煤粉在聚氨酯填充材料方面提供經(jīng)驗。

1實驗部分

1.1 實驗原料及設備

電熱恒溫水浴鍋，型號DZKW-4，上?？莆鰧嶒瀮x器廠；定時電動攪拌機，型號JJ-1，金壇市華峰儀器有限公司；電子天平，型號FA1004N，上海精密科學儀器有限公司；真空干燥箱，型號DZF-6020，杭州藍天化驗儀器廠；電子控制萬能實驗機，型號KD-50型，深圳市凱強利電子有限公司；氧指數(shù)測定儀，型號LFY-606，山東省紡織科學研究院。

1.2 基礎配方

表1 原料及實驗基礎配方Table 1 Raw materials and basic formulation

注:超細煤粉，自制灰分Aad為8.51%，揮發(fā)分Vad為33.01%，平均粒徑6 μm，密度0.78 g/cm3(20 ℃)。

1.3 試樣的制備

(1)煤粉的改性：稱量200g超細煤粉，于105 ℃溫度下真空干燥3 h，然后取100 g于三口瓶中，水浴溫度為80 ℃時，加入4 g改性溶液(KH-550：無水乙醇：1∶1)，高速攪拌20 min后，再于105 ℃下干燥2 h。

(2)煤粉填充聚氨酯泡沫材料的制備

準確稱量聚醚多元醇、聚合MDI、發(fā)泡劑、二甲基硅油、煤基填料以及二月桂酸二丁基錫，按次序依次加入，攪拌30 s后，移入固定模具在常溫下發(fā)泡，待發(fā)泡結(jié)束后于50 ℃下后處理12 h。

1.4 結(jié)構(gòu)表征和性能測試

(1)壓縮強度測試

參照GB/T8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮試驗方法》測定。壓縮速率為2 mm/min。取樣品10%變形量時的測試值。

(2)落球回彈率測定

標準鋼珠從直徑d=16.0mm、高H0=51.5cm的有機玻璃管中自由落下，測定其第一次彈起高度，重復3次，取平均值為H，按式(1)計算回彈率：

(1)

式中：R-回彈率，%；H-鋼球回彈高度，mm；H0-鋼球落下高度，mm。

(3)表觀密度測定

根據(jù)GB/T6343-2009的標準測定。精確稱取試樣的重量m，測量樣品的尺寸，并計算其體積V。根據(jù)式(2)計算其密度：

(2)

(4)氧指數(shù)測試

參照GB/T 5454-1997測定氧指數(shù)。計算按公式(3)進行：

OI=[O2]/([O2]+[N2])×100%

(3)

式中：[O2]-氧氣流量，L/min；[N2]-氮氣流量，L/min。

2結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫性能的影響

(1)發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫壓縮強度的影響

圖1(a)為發(fā)泡劑AC和發(fā)泡劑H對聚氨酯泡沫壓縮強度的影響，從圖1(a)中可知，當發(fā)泡劑H用量為0.05g～0.1g時，聚氨酯泡沫壓縮強度提高，而當發(fā)泡劑H的用量大于0.1g時，壓縮強度隨著發(fā)泡劑用量增加而減小。發(fā)泡劑用量過少時，聚氨酯泡沫材料中形成的泡孔少、不均勻，存在應力集中，壓縮強度?。划敯l(fā)泡劑用量過多時，孔壁變薄，穿孔現(xiàn)象增多，甚至出現(xiàn)泡孔塌陷，致使壓縮強度減小。加入發(fā)泡劑AC時，聚氨酯泡沫壓縮強度隨發(fā)泡劑AC用量增加呈增大。發(fā)泡劑AC理論發(fā)氣量為193 mL/g，發(fā)泡劑H理論發(fā)氣量為280 mL/g。與發(fā)泡劑H相比，發(fā)泡劑AC發(fā)氣量小，臨界分解溫度低(120℃)，在聚氨酯泡壁為達到一定力學性能時破壁逃逸，因此，達到相同壓縮強度時，用量較發(fā)泡劑H多。

圖1 不同發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫性能影響Fig 1 Effect of different foaming agent content on the properties of foamed polyurethane

(2)發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫回彈率的影響

圖1(b)為發(fā)泡劑AC和發(fā)泡劑H對聚氨酯泡沫回彈率的影響。從圖1(b)可知，發(fā)泡劑H回彈率整體優(yōu)于發(fā)泡劑AC的樣品性能。發(fā)泡劑用量為0.1 g時，聚氨酯泡沫的回彈率達最大，發(fā)泡劑H和發(fā)泡劑AC制備的樣品的回彈率分別為25.24%和18.45%；發(fā)泡劑用量超過0.1g時，回彈率均下降。

(3)發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫表觀密度的影響

圖1(c)為不同發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫表觀密度的影響。由圖1(c)可知，隨發(fā)泡劑量增加，聚氨酯的表觀密變化較小。發(fā)泡劑H制備的聚氨酯泡沫的表觀密度變化范圍更小，均在0.045 g/cm3附近，而發(fā)泡劑AC制備的樣品表觀密度變化范圍較大，樣品穩(wěn)定性不好。

(4)發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫氧指數(shù)的影響

圖1(d)為不同發(fā)泡劑對聚氨酯泡沫氧指數(shù)的影響。從圖1(d)中得出，改變發(fā)泡劑種類對聚氨酯泡沫氧指數(shù)無明顯影響，發(fā)泡劑用量增加，聚氨酯泡沫的氧指數(shù)無顯著變化。

綜上所述，發(fā)泡劑H用量為0.1 g時制備的聚氨酯泡沫性能較好，以此為基礎，研究超細煤粉添加量對聚氨酯泡沫性能的影響。

2.2 煤粉對聚氨酯泡沫性能的影響

(1)煤粉對聚氨酯泡沫的壓縮強度的影響

在硬泡配方中，分別加入5份、10份、15份、20份和25份煤基填料，測試其各項性能。圖2表示了不同用量的煤基填料對聚氨酯泡沫密度，壓縮強度，回彈率，氧指數(shù)，的影響。

由圖2(a)可知，隨著煤基填料用量的增加，使硬泡產(chǎn)生屈服時所承受的最大壓縮應力越大，壓縮強度就越大，當KH560改性填料用量為15份時，壓縮強度達到0.40 MPa。圖2(b)可知，隨著煤基填料用量的增加，回彈率減小，由于填充的煤基填料增多，密度增大，泡沫的剛度增大，使得泡沫發(fā)生一定彈性變形的應力也越大，回彈率減小，加入5 g時，回彈率下降到了6%以下；圖2(c)可知，隨著煤基填料用量的增加，密度增大。由于煤基填料的增加使得相同體積的泡沫質(zhì)量增大，所以密度也增大；圖2(d)可知，隨著煤基填料用量的增大，對泡沫的氧指數(shù)有一定的影響，比不加煤基填料時略微增大，氧指數(shù)達到21%。這是因為加入煤基填料，硬泡燃燒時會形成碳殼，使泡沫隔絕空氣最后熄滅，但阻燃性能沒有明顯的提高。

圖2 煤粉對聚氨酯泡沫性能影響Fig 2 Effect of Pulverized Coal on the properties of foamed polyurethane

3結(jié) 論

通過對聚氨酯發(fā)泡劑的優(yōu)選，以發(fā)泡劑H用量0.1 g時制備的聚氨酯泡沫壓縮強度、回彈率較好；以此為基礎，加入KH550和KH560改性的超細煤粉，隨著煤粉用量增加，聚氨酯泡沫的壓縮強度得到明顯改善，當KH560改性煤粉用量為15份時，壓縮強度達到0.40 MPa，氧指數(shù)達到21%，回彈率為5.4%，密度為0.064 g/cm3。

[1] 朱呂民，劉益軍 等．聚氨酯泡沫材料[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004：3～4.

[2] 楊春柏.聚氨酯泡沫塑料研究進展[J].中國塑料.2009，23(2):12～15.

[3] 陳勇軍，李斌，劉嵐 等.阻燃型聚氨酯泡沫塑料研究進展[J].塑料科技.2012，40(3):103～109.

[4] 宋元軍,李娜.聚氨酯泡沫材料的性能研究[J].化學與黏合.2010，32(2):19～25.

[5] 胡光洲，岳遠超，柳月 等.褐煤粉改性聚氨酯泡沫塑料應用研究[J].化工新型材料，2016，43(3):235～237.

[6] 何釗，朱睿穎，石程程.改性煤粉對天然橡膠的性能影響[J].化工時刊，2013，27(1)4～9.

[7] 何釗，李永勃，趙曉亮.煤粉在材料領域中的研究進展[J].技術(shù)創(chuàng)新與管理，2013，29(3):247～250.

PerformanceofUltra-FinePulverizedCoalFilledFoamedPolyurethane

Liu Ruili Cao Wen Pang Qingtao

(Shanxi Coal and Chemical Industry New Energy Group CO.Ltd, Shanxi Xi’an 710100)

Foam polyurethane was prepared by polymerizing MDI and polyether polyol as raw materials,with the preferred foaming agent and the modified ultrafine pulverized coal added as the filler. By testing the apparent density of the filling of foamed polyurethane, the compressive strength, resilience rate and the oxygen index were analyzed. The results showed that the compressive strength of the foamed polyurethane which prepared by the amount of 0.1 g of blowing agent was better . The KH550 and KH560 modified ultrafine pulverized coal were added with the amount of pulverized coal.The compressive strength and polyurethane index of foamed polyurethane were improved obviously.When the amount of KH560 modified coal powder was 15per 100 g PU,the polyurethane had the best performance, the compressive strength was 0.40 MPa,the oxygen index was 21%, the resilience rate was 5.4%，and the density was 0.064 g/cm3.

foamed polyurethane mechanical properties oxygen index ultra-fine pulverized coal

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.004

2017-04-17

劉銳利(1975～)，男，碩士，工程師，主要從事煤基材料應用的研究；E-mail：863622645@qq.com；通訊作者：龐青濤(1987～)，男，工程師，碩士，從事泡沫高分子材料研究工作。E-mail：254298572@qq.com。