硅藻土改性硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能研究

祝志雄 ，俞毅 ，王恒華 ，應(yīng)曉猛 ，胡名衛(wèi) ，周聰聰

（1.浙江省建筑材料科學(xué)研究所有限公司，浙江 杭州 311122；2.義烏市墻體材料改革辦公室，浙江 義烏 322000）

0 前言

硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有優(yōu)異的保溫性能、較高的強(qiáng)度，并且質(zhì)輕、施工安裝方便，作為建筑材料應(yīng)用較廣[1]。硬質(zhì)聚氨酯泡沫雖然具有優(yōu)異的性能，但為了使其具有更好的性能，對(duì)其研究也越來(lái)越多，特別是通過(guò)填料對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫進(jìn)行改性[2]。國(guó)內(nèi)外對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫的改性研究有添加空心玻璃微珠、玻璃纖維、可膨脹石墨等。

硅藻土是一種硅質(zhì)巖石，主要成分為SiO2、質(zhì)輕、具有多孔結(jié)構(gòu)，可作為一種優(yōu)異的無(wú)機(jī)填料[3]。本研究主要通過(guò)將硅藻土摻入到聚氨酯發(fā)泡反應(yīng)中，制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫，通過(guò)分析其基本性能，得出硅藻土在聚氨酯中的應(yīng)用情況。

1 試驗(yàn)

1.1 主要原材料

多亞甲基多苯基異氰酸酯：25℃粘度150～250 mPa·s，紹興市華創(chuàng)聚氨酯有限公司；聚醚多元醇：4110，羥值349 KOH mg/g，25 ℃粘度（2500±50）mPa·s；二月桂酸二丁基錫：化學(xué)純；三乙醇胺：分析純；硅油：AK-8805，紹興市華創(chuàng)聚氨酯有限公司；硅藻土：主要化學(xué)成分為SiO2，密度0.47 g/cm3，細(xì)度325～500目，分析純，天津市鼎盛鑫化工有限公司；硅烷偶聯(lián)劑：KH-560，含量≥98%，密度 1.068～1.075 g/cm3，南京創(chuàng)世化工助劑有限公司；蒸餾水：自制。

1.2 硅藻土處理

硅藻土是一種無(wú)機(jī)材料，要對(duì)其進(jìn)行改性，使其能夠均勻地分布在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中。對(duì)硅藻土的改性主要將硅藻土浸泡到1%KH-560溶液中1 h，然后放入烘箱中烘干，保證硅藻土表面有1層偶聯(lián)劑包裹。

1.3 硬質(zhì)聚氨酯泡沫發(fā)泡過(guò)程

本試驗(yàn)采用一次發(fā)泡法，先稱(chēng)取一定質(zhì)量的原材料，然后將聚醚多元醇、水、催化劑混合在一起，放到攪拌機(jī)中攪均勻，再將硅藻土摻入到混合料中，攪拌均勻，放入水浴鍋中保持恒溫（30℃），最后將混合料與異氰酸酯混合，攪拌20 s左右，當(dāng)變成乳白色液體時(shí)將其倒入模具（40℃）中，發(fā)泡得到所需規(guī)格樣品。硬質(zhì)聚氨酯泡沫（PUF）根據(jù)GB/T 2918—1998《塑料試樣狀態(tài)調(diào)節(jié)和試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境》要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，然后測(cè)試其性能。

1.4 性能測(cè)試方法

導(dǎo)熱系數(shù)按照GB/T 3399—1982《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法護(hù)熱平板法》進(jìn)行測(cè)試；壓縮強(qiáng)度按照GB/T8813—2008《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮性能的測(cè)定》，沖擊強(qiáng)度按照GB/T 1843—2008《塑料懸臂梁沖擊強(qiáng)度的測(cè)定》進(jìn)行測(cè)試，力學(xué)性能測(cè)試中取6個(gè)有效樣的平均值；尺寸穩(wěn)定性按照GB/T 8811—2008《硬質(zhì)泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》取3個(gè)有效樣測(cè)試；氧指數(shù)按照GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指數(shù)法測(cè)定燃燒行為第2部分:室溫試驗(yàn)》進(jìn)行測(cè)試；孔結(jié)構(gòu)通過(guò)掃描電鏡觀察，選取泡沫中間的一小塊，以發(fā)泡過(guò)程橫向進(jìn)行切割，將泡沫放入掃描電鏡中進(jìn)行孔結(jié)構(gòu)觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)的影響（見(jiàn)圖1）

圖1 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由圖1可以看出，隨著硅藻土摻量的增加，PUF的導(dǎo)熱系數(shù)先減小后增大，在硅藻土摻量為15%時(shí)，PUF的導(dǎo)熱系數(shù)最低，相對(duì)于純水發(fā)泡要降低8.0%。這可能是由于硅藻土內(nèi)部具有很多孔，這種特殊的多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)添加到PUF中后，會(huì)吸附在泡沫孔壁之間，作為一個(gè)支撐作用，硅藻土中的特殊孔會(huì)與聚氨酯泡孔相連接，增大了孔的面積，使泡孔中氣體數(shù)量增加，其導(dǎo)熱系數(shù)就會(huì)相應(yīng)的減?。划?dāng)硅藻土摻量進(jìn)一步增加，會(huì)有大量硅藻土吸附在泡孔壁上，使泡孔結(jié)構(gòu)破壞，甚至?xí)狗忾]孔的數(shù)量減少，導(dǎo)熱系數(shù)增大。

2.2 硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫表觀密度的影響

通過(guò)對(duì)表觀密度的測(cè)試與分析，可有效得出PUF的相對(duì)質(zhì)量，以及施工簡(jiǎn)易程度，因此，研究PUF表觀密度的變化對(duì)其在建筑施工中的應(yīng)用有很重要的意義[4]。

圖2為硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫表觀密度的影響。

圖2 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫表觀密度的影響

由圖2可以看出，硅藻土的摻入對(duì)PUF的表觀密度影響不大，隨硅藻土摻量的增加，表觀密度有所增加，但增加量并不多。這是由于硅藻土質(zhì)輕，顆粒結(jié)構(gòu)較小，加入到PUF后，對(duì)其整體泡沫的表觀密度影響不大。

2.3 硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫孔結(jié)構(gòu)的影響

圖3為硬質(zhì)聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，其中圖 3（a）～（e）硅藻土摻量分別為5%、10%、15%、20%，均為放大50倍后的泡孔結(jié)構(gòu)，圖3（f）為硅藻土摻量15%放大350倍的泡孔結(jié)構(gòu)。

由圖3可明顯看出：純PUF的泡孔結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，當(dāng)加入硅藻土后，泡孔變小，變得更加的密實(shí)，當(dāng)摻入15%硅藻土?xí)r，泡孔結(jié)構(gòu)相對(duì)較好，再繼續(xù)摻入20%硅藻土?xí)r，可看出泡孔中有少量硅藻土發(fā)生團(tuán)聚，泡孔也出現(xiàn)一定的破裂；由圖3（f）可見(jiàn)，硅藻土填充到PUF泡孔壁之間，對(duì)整個(gè)泡孔起到支柱作用，保證PUF有更加優(yōu)異的性能。

圖3 不同硅藻土摻量硬質(zhì)聚氨酯的泡孔結(jié)構(gòu)

對(duì)硬質(zhì)聚氨酯的泡孔結(jié)構(gòu)分析可明顯看出，硅藻土作為填料加入到硬PUF中后，PUF泡孔結(jié)構(gòu)變得更加的致密，且能夠作為支柱結(jié)構(gòu)存在于泡孔之間。硅藻土可有效改善PUF的泡孔結(jié)構(gòu)，適量硅藻土的摻入，可使泡孔更加均勻，而過(guò)多的加入會(huì)使泡沫出現(xiàn)團(tuán)聚，破壞孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致泡沫性能的下降。

2.4 硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫力學(xué)性能的影響

圖4、圖5分別為硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫壓縮強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度的影響。

圖4 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫壓縮強(qiáng)度的影響

由圖4可見(jiàn)，隨著硅藻土摻量的增加，PUF的壓縮強(qiáng)度先有所提高，當(dāng)摻量為15%時(shí)，壓縮強(qiáng)度最高，比未摻硅藻土?xí)r強(qiáng)度約提高10%；但隨硅藻土繼續(xù)摻入，其強(qiáng)度開(kāi)始下降。這是由于適量硅藻土的摻入，PUF的孔結(jié)構(gòu)會(huì)變得密實(shí)，硅藻土也會(huì)吸附在泡孔壁上，使PUF的壓縮強(qiáng)度相應(yīng)提高；但當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)，會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，破壞泡孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓縮強(qiáng)度下降。

圖5 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫沖擊強(qiáng)度的影響

由圖5可知，隨硅藻土摻量的增加，PUF的沖擊強(qiáng)度先提高后降低。當(dāng)硅藻土摻量為5%時(shí)，沖擊強(qiáng)度最高，比未摻硅藻土的約提高4.3%。硅藻土中的SiO2可能會(huì)參與到反應(yīng)中，與泡沫中間產(chǎn)物中的羥基進(jìn)行結(jié)合，發(fā)生接枝共聚反應(yīng)，以此粘 附到泡孔壁上，使沖擊性能得以提升。當(dāng)硅藻土摻量進(jìn)一步提高，大量的無(wú)機(jī)材料粘結(jié)在一起后會(huì)使脆性增大，使得沖擊強(qiáng)度降低。

2.5 硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫尺寸穩(wěn)定性的影響

水發(fā)泡聚氨酯反應(yīng)是通過(guò)水與異氰酸酯反應(yīng)，生成CO2，CO2作為發(fā)泡劑參與到反應(yīng)中，最后填充到泡孔中，形成保溫性能較好的材料。PUF是一種具有大量封閉孔的材料，當(dāng)溫度上升到臨界溫度后，隨溫度繼續(xù)升高，會(huì)破壞泡孔結(jié)構(gòu)，使CO2氣體溢出，出現(xiàn)收縮，收縮過(guò)大會(huì)影響PUF的性能。圖6為硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫尺寸穩(wěn)定性的影響。

圖6 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫尺寸穩(wěn)定性影響

由圖6可見(jiàn)，隨硅藻土摻量的增加，PUF的尺寸穩(wěn)定性提高，在摻量為15%時(shí)穩(wěn)定性最好；當(dāng)硅藻土摻量繼續(xù)增加，穩(wěn)定性相對(duì)變差，但比未添加硅藻土?xí)r要好。這是由于硅藻土是一種無(wú)機(jī)材料，其本身具有很好的穩(wěn)定性，當(dāng)摻入到PUF中后會(huì)吸附在泡孔壁上，增加了泡孔壁的強(qiáng)度，穩(wěn)定性也會(huì)相應(yīng)提高，而摻量過(guò)多后，會(huì)破壞一些泡孔壁，但相對(duì)于未摻入的穩(wěn)定性要好，說(shuō)明破壞的泡孔壁并不是很多。

2.6 硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫阻燃性能的影響

圖7為硅藻土對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫氧指數(shù)的影響。

圖7 硅藻土摻量對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫氧指數(shù)的影響

由圖7可以看出，隨硅藻土摻量的增加，PUF的氧指數(shù)先增大，當(dāng)摻量為20%時(shí)最大；但隨硅藻土的繼續(xù)摻入，氧指數(shù)反而下降。因?yàn)楣柙逋潦且环N無(wú)機(jī)材料，其加入會(huì)相應(yīng)提高PUF的阻燃性能，但由于硅藻土摻量并不是很多，硅藻土也不是阻燃材料，氧指數(shù)的增加量也不明顯。

3 結(jié)論

（1）在水發(fā)泡硬質(zhì)聚氨酯泡沫中，當(dāng)硅藻土摻量為15%時(shí)，PUF的保溫性能與壓縮強(qiáng)度均較好，相較于未摻硅藻土的試樣，導(dǎo)熱系數(shù)下降約8.0%，壓縮強(qiáng)度提高約10.0%；硅藻土摻量為5%時(shí)，沖擊強(qiáng)度較未摻硅藻土的試樣提高4.3%。

（2）硅藻土可有效改善硬質(zhì)聚氨酯泡沫的泡孔結(jié)構(gòu)，摻入一定量的硅藻土?xí)筆UF的泡孔變得更加的致密，但過(guò)多則會(huì)破壞泡孔結(jié)構(gòu)，但并不影響PUF的表觀密度。

（3）摻入適量的硅藻土可改善硬質(zhì)聚氨酯泡沫的尺寸穩(wěn)定性，并提升PUF的阻燃性能。