高嶺土對開孔型聚氨酯硬泡性能影響的研究

楊濤，王國建

（同濟大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海201804）

引言

至今為止，聚氨酯硬泡的泡孔結(jié)構(gòu)多為閉孔型的，即泡孔與泡孔之間互不連通，獨立存在。一般情況下，這種閉孔型聚氨酯硬泡的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.030 W/(m·K)左右。而理論計算和實驗都證明，如果將聚氨酯硬泡中的泡孔均打開，使其變成開孔型的聚氨酯硬泡（ORPUF），則其在真空條件下的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.007 W/(m·K)以下[1]，可大大提升聚氨酯硬泡的保溫隔熱性能。此外，由于具有比表面積大的特點，ORPUF還可用于吸音、過濾和載體等領(lǐng)域[2-4]。因此，ORPUF的研制，不僅可使聚氨酯泡沫材料的隔熱性能得到優(yōu)化和提升，而且可以拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，符合材料多功能化的發(fā)展趨勢。

在過去的幾十年中，已經(jīng)開發(fā)出了幾種制備ORPUF的方法，并且期望在ORPUF中得到較高的開孔率。因此，在制備ORPUF時如何調(diào)節(jié)開孔過程顯得尤為重要。關(guān)于這一點，向發(fā)泡配方中引入化學(xué)開孔劑來促進泡沫開孔是一種較為可行的方法。通常，開孔劑是一種特殊的表面活性劑，例如聚二甲基硅氧烷、聚氧乙烯和（氧化烯—硅氧烷）嵌段共聚物。Song等人[5]提出含有羥基的開孔劑會與發(fā)泡劑水產(chǎn)生氫鍵，然后在發(fā)泡過程中會延遲發(fā)泡反應(yīng)。當(dāng)聚合反應(yīng)放出的熱量使溫度升高而破壞氫鍵時，結(jié)合水會被釋放與過量的異氰酸酯反應(yīng)并產(chǎn)生二氧化碳，導(dǎo)致泡沫繼續(xù)膨脹至氣泡壁膜破裂并形成開孔泡沫。這一過程被認為是化學(xué)開孔劑促進泡沫開孔的機制。

雖然化學(xué)開孔劑具有優(yōu)異的開孔效果，但會導(dǎo)致力學(xué)性能下降[6]。因此，有必要引入一些添加劑以提高ORPUF的力學(xué)性能，同時確保開孔率的不會降低。近年來，用蒙脫石、高嶺土等納米粘土改性聚氨酯泡沫材料的研究受到了廣泛的關(guān)注。Khakhar等[7,8]報道了改性蒙脫土在軟質(zhì)聚氨酯泡沫中作為開孔劑使用的研究。由開孔率測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改性蒙脫土的開孔能力要優(yōu)于傳統(tǒng)的液體化學(xué)開孔劑。Zou等[9]討論了納米蒙脫土作為開孔劑對慢回彈聚氨酯軟質(zhì)泡沫的泡孔形態(tài)和慢回彈性能的影響。結(jié)果表明，改性蒙脫土具有橋接氣泡壁膜的能力，并由于重力作用導(dǎo)致壁膜破裂形成開孔；另外，有機改性納米蒙脫土能夠有效地提高軟質(zhì)聚氨酯泡沫的彈性和力學(xué)強度。從這些研究結(jié)果可以看出，納米蒙脫土對軟質(zhì)聚氨酯發(fā)泡過程中的泡沫開孔有促進作用，其原因可能是納米蒙脫土不會被反應(yīng)混合物潤濕，因此作為不溶性固體顆粒吸附在氣泡壁膜上，破壞了壁膜表面張力的平衡，導(dǎo)致氣泡壁膜破裂，從而形成開孔泡沫。

表1 ORPUF的發(fā)泡配方（單位：質(zhì)量份）

然而，為了在聚氨酯發(fā)泡基體中獲得良好的分散性和相容性，需要對蒙脫土進行比較復(fù)雜的改性。如果有一種作用相似但改性過程相對簡單的填料來代替蒙脫土，則工業(yè)化推廣的可能性將大大增加。高嶺土也是一種在聚合物工業(yè)中廣泛應(yīng)用的納米粘土，可賦予聚合物體系非凡的特性，如優(yōu)越的熱穩(wěn)定性、阻燃性和高抗壓強度[10-12]。與蒙脫土相比，高嶺土的改性方法較為簡單，且高嶺土的資源更豐富、價格更便宜。另外，雖然對高嶺土改性聚氨酯泡沫進行過很多研究[13-15]，但對改性高嶺土在聚氨酯發(fā)泡過程中開孔的影響的研究未見報道。

1 實驗部分

1.1 原料

多苯基多亞甲基多異氰酸酯（PAPI，平均官能度 2.6～2.7，NCO%=30.5%），亨斯邁集團；聚醚多元醇（Polyol 635，羥值480～520mg KOH/g，平均官能度 5.5），上?？私j(luò)蒂企業(yè)；泡沫穩(wěn)定劑（AK8805），江蘇美思德化學(xué)有限公司；開孔劑（O-500），贏創(chuàng)工業(yè)集團；催化劑（三乙烯二胺，L-33），高嶺土和硅烷偶聯(lián)劑（KH-550），工業(yè)級，國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 高嶺土的有機化改性

采用濕法對高嶺土顆粒表面進行改性。將0.2g硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）加入到100g乙醇/水混合溶劑（乙醇:水＝9:1）中，在500 r/min攪拌下水解反應(yīng)30 min；然后向上述混合溶液中加入25 g高嶺土，加熱至60℃，恒溫回流反應(yīng)1 h后，過濾收集改性高嶺土并用乙醇洗滌2～3次，然后在70℃下真空干燥1.5 h，得有機高嶺土。

1.3 開孔型硬質(zhì)聚氨酯泡沫的制備

根據(jù)表1中的發(fā)泡配方，采用一步法手工發(fā)泡，組分A由適量的聚醚多元醇、催化劑（三乙烯二胺）、去離子水、泡沫穩(wěn)定劑、開孔劑和有機高嶺土在1000 r/min下攪拌20 s獲得。按照異氰酸酯指數(shù)為1.05，將PAPI作為組分B加入到組分A中，在 1500 r/min下攪拌30 s后立即倒入開口模具（21×12×6 cm）中使泡沫自由發(fā)泡，待發(fā)泡完成后將泡沫樣品放入70℃烘箱中熟化24 h。待測試和表征的泡沫樣品均從泡沫中央選取。

2 測試與表征

2.1 XRD測試

采用X射線衍射儀（D/max2550 VB3+/PC，日本Rigaku公司）對高嶺土及高嶺土改性開孔型聚氨酯硬泡的樣品進行XRD分析。測試角度為4°～40°，測試速度為2°/min。

2.2 表觀密度測試

表觀密度測試參照GB/T6343-1995《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》進行。制取25 mm×25 mm×25 mm的試樣3個，打磨試樣表面，使邊長相對誤差不大于1%，并用游標卡尺測量其邊長，精確到0.1mm。在電子天平上稱取試樣的質(zhì)量，計算其表觀密度。計算公式如2.1所示：

式中：ρ表為表觀密度，kg/m3；m 為試樣質(zhì)量，g；V 為試樣的體積，m3。

2.3 開孔率測試

根據(jù)GB/T 10799-2008《硬質(zhì)泡沫塑料開孔和閉孔體積百分率的測定》，開孔率由泡沫樣品的幾何體積（Vg）和不可滲透體積（Vi）確定，計算方法如公式2.2所示：

其中，不可滲透體積Vi指的是空氣不能滲透或逸出部分的樣品體積。根據(jù)Boyle-Mariotte定律，通過壓力變化法測量泡沫樣品的不可滲透體積。

2.4 泡孔結(jié)構(gòu)觀察

使用掃描電子顯微鏡（SEM，Quanta 200，美國，F(xiàn)EI）進行泡沫斷裂面形態(tài)觀察。在制備掃描電鏡樣品時，沿平行于發(fā)泡方向取樣并在液氮中將其脆斷，然后表面噴金處理，在20 KV的加速電壓下，放大50x倍數(shù)采集圖片。

2.5 壓縮強度測試

根據(jù)GB/T8813-2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測定》測定泡沫的壓縮強度。制取25 mm×25 mm×25 mm的試樣3個，打磨試樣表面，使邊長相對誤差不超過1%。在力學(xué)萬能試驗機上進行測定，測試速度為2 mm/min。

3 結(jié)果與討論

3.1 高嶺土和有機高嶺土的結(jié)構(gòu)分析

XRD是一種常用的研究納米材料形貌特征的方法。圖1顯示了未改性的高嶺土以及有機高嶺土的XRD圖。根據(jù)Bragg方程λ=2dsinθ，通過d001峰的位置可以計算出高嶺土的層間距為1.4 nm，而有機改性高嶺土的d001衍射峰左移，其層間距增加至2.2 nm。這說明通過改性，硅烷長鏈已插入到高嶺土層間，增大了層間距。

表2 不同有機高嶺土用量的改性O(shè)RPUF的表觀密度和開孔率

圖1 高嶺土/有機改性高嶺土的XRD譜圖

圖3 RPUF和ORPUF的壓縮強度

3.2 ORPUF的表觀密度和開孔率

ORPUF的表觀密度和開孔率如表2所示。從表中數(shù)據(jù)可見，開孔劑的加入導(dǎo)致所得泡沫的表觀密度略微降低，而開孔率隨開孔劑用量的增大而上升。特別是當(dāng)開孔劑（O-500）的用量達到4 php時，開孔率從9.9%（RPUF）增加到83.9%。添加有機高嶺土對ORPUF的表觀密度沒有明顯影響，但其開孔率隨著有機高嶺土用量的增加而升高。開孔劑和有機高嶺土的開孔原理是不同的。有機高嶺土作為不溶性顆粒附著在氣液界面上時，一方面由于重力作用，另一方面由于界面張力的失衡，導(dǎo)致氣泡壁膜破裂，從而使氣泡壁膜相互連通形成開孔。因此，在ORPUF的發(fā)泡過程中，開孔劑和有機高嶺土?xí)餐龠M泡沫開孔。

3.3 有機高嶺土對ORPUF泡孔結(jié)構(gòu)的影響

為了考察有機高嶺土對ORPUF的泡孔結(jié)構(gòu)的影響，采用SEM對不同有機高嶺土用量的ORPUF進行觀察，結(jié)果如圖2所示。

從圖2中的SEM照片可以看出，添加有機高嶺土有降低ORPUF泡孔直徑和增加開孔泡沫數(shù)目的趨勢。從有機高嶺土改性后的ORPUF的泡孔尺寸分布可以看出，隨著有機高嶺土含量從1 php增加至4 php時，ORPUF的泡孔平均直徑從286.1 μm 降至213.9 μm。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因可能有兩個方面：一方面，在發(fā)泡過程中，有機高嶺土起到成核劑的作用，從而產(chǎn)生更多的泡沫并相應(yīng)地形成更小更均勻的泡孔[16]；另一方面，有機高嶺土的引入會使得反應(yīng)組分的粘度上升，從而抑制氣泡的合并，有利于形成更小的泡孔[17]。

3.4 有機高嶺土對ORPUF壓縮強度的影響

圖3中的ORPUF和改性O(shè)PPUF的壓縮強度表明，單純使用開孔劑，ORPUF的壓縮強度隨開孔劑用量的增加而降低。但是，隨著有機高嶺土用量的增加，改性O(shè)RPUF的壓縮強度隨之增加。當(dāng)有機高嶺土為4 php時，ORPUF的壓縮強度達到最大值 146.4 kPa，是純 ORPUF（PO-3）壓縮強度的1.74倍。這顯然是由于有機高嶺土具有較高的剛性，并且在泡沫基體中較好的分散性，因此增加了泡沫壁膜的剛性，從而提高了泡沫的壓縮強度。

圖2 不同有機高嶺土用量的ORPUF的泡孔形態(tài)和泡孔尺寸分布a)OK1-PO,b)OK2-PO,c)OK3-PO

一般來說，提高聚氨酯泡沫的力學(xué)強度有兩種方法，一種是增加聚氨酯泡沫的密度，另一種是增強泡沫壁的骨架結(jié)構(gòu)。在本課題中，這種改進歸因于泡沫壁的增強，因為改性O(shè)RPUF的密度沒有明顯增加。另外，泡沫的力學(xué)性能不僅取決于聚合物基體的性質(zhì)，還取決于泡孔直徑和泡孔尺寸分布。在ORPUF中添加有機高嶺土?xí)a(chǎn)生較小的泡孔直徑并形成更均勻的泡孔尺寸分布，也有利于壓縮強度的改善。

4 總結(jié)

本文在采用化學(xué)開孔劑制備ORPUF的基礎(chǔ)上，研究了硅烷偶聯(lián)劑（KH-550）改性高嶺土對ORPUF性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)有機改性后的高嶺土通過共混法能夠在聚醚基體中較好地分散，這在一定程度上提高了ORPUF的力學(xué)性能。同時，有機改性高嶺土的引入使得開孔率略有提高，這一現(xiàn)象主要歸因于有機高嶺土作為不溶性顆粒使得氣液界面張力失衡，導(dǎo)致氣泡壁膜破裂形成開孔。

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