粉煤灰/聚氨酯硬泡復(fù)合材料的制備及性能的研究

趙雪嵐，王仁舒，馮 靜

(六盤水師范學(xué)院 化學(xué)與材料工程學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

聚氨酯(PU)是聚氨基甲酸酯的簡稱。凡是在高分子主鏈上含有許多重復(fù)的氨基甲酸酯基團的高分子化合物統(tǒng)稱為聚氨基甲酸酯[1]。聚氨酯(PU)的主鏈?zhǔn)呛?NHCOO-重復(fù)結(jié)構(gòu)單元的一類大分子聚合物[2]。是典型的多嵌段共聚物。它是低聚物多元醇和多異氛酸醋加成聚合后的產(chǎn)物[3]。聚氨酯彈性體是彈性體中比較特殊的一大類，其原材料品種繁多，配方多樣，可調(diào)范圍廣。聚氨酯彈性體由于綜合性能出眾而被廣泛應(yīng)用于民用、體育、航天、軍事等領(lǐng)域，成為不可缺少的重要材料之一[4]。但由于其耐熱、耐極性溶劑等性能還不夠理想，其應(yīng)用受到了一定程度的限制。為了進一步拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，研究者一方面把特殊粒子加入體系以改善聚氨酯材料的一些性能[5]，另一方面通過改變制備方法來提高聚氨酯材料的性能[6]。

粉煤灰，就是燃煤電廠排出的一種主要固體廢物，是從煤燃燒后的煙氣中收捕下來的細(xì)灰[7]。而從我國燃煤電廠排出粉煤灰的主要氧化物組成為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等[8]。我國許多地方水資源缺乏，大部分地區(qū)還是依賴燃煤電廠的發(fā)電，隨著電力工業(yè)的發(fā)展，燃煤電廠排放出的粉煤灰的量逐年增加，已經(jīng)成為我國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一[9]。大量的粉煤灰不加處理，尤以燃煤電廠集中地區(qū)為甚。由于其特殊的物化性質(zhì)，如不加以治理與綜合利用，則會因揚塵、堵塞河道、有毒重元素滲透等原因，造成大氣、水系、土壤等環(huán)境污染，對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成很大污染及對人民生產(chǎn)生活造成極大負(fù)面影響。粉煤灰是可以資源化利用，如可以作為混凝土的摻合料等[10]。本項研究以粉煤灰為填料，進行抗壓縮性能測試，探討復(fù)合材料實用性，并期望能為粉煤灰的綜合利用拓寬渠道[11]。白料是通過甘油與環(huán)氧丙烷以氫氧化鉀為催化劑，在油浴鍋恒溫80 ℃溫度下攪拌8 h得到共聚物。是一種具有粘稠性透明液體。黑料使用4,4'-MDI，又稱異氰酸苯酯。用研磨將黑料磨成粉，然后用80目的篩子進行篩分。

1 實驗藥品及儀器設(shè)備

藥物：丙三醇，環(huán)氧丙烷，氫氧化鉀，碳酸氫銨，吐溫80，N-乙基嗎啉，粉煤灰，異氰酸苯酯。儀器設(shè)備：電子天平，數(shù)顯恒溫水浴鍋，電熱鼓風(fēng)干燥箱，冷凝管，集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，分子篩。

2 實驗過程

2.1 黑料和白料的混合

將已磨好的黑料按比例秤好，倒入模具中去，用針筒抽取比例的白料打入模具中去。加入后用玻璃棒將黑料與白料攪拌均勻，將模具移到水浴鍋中，水浴鍋加熱到80 ℃。黑料開始融化充分與白料接觸經(jīng)過5 min后開始反應(yīng)直到完全聚合。在這個過程中產(chǎn)生一定量的白煙，會產(chǎn)生大量的熱。直到不再發(fā)泡，黑料與白料已經(jīng)聚合，冷卻完測試最抗壓縮則是最優(yōu)配比。

通過實驗得到黑料∶白料在20∶10(mL)屬于實驗研究最優(yōu)配比。將計量好的粉煤灰加入到模具中做成有形狀的樣品便于檢測，再加入已磨好黑料用玻璃棒將粉煤灰與黑料進行攪拌直到攪拌均勻，為讓反應(yīng)充分。加入白料再用玻璃棒進行攪拌，會出現(xiàn)粘稠現(xiàn)象，但必須將其攪拌均勻，會得到松泥土的樣子即可。隨即加入發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑。最后加入催化劑進行催化反應(yīng)。加入80 ℃恒溫水浴鍋中開始要迅速攪拌為了讓反應(yīng)更加充分，5 min后反應(yīng)開始，冒出白色的煙霧，產(chǎn)生大量的熱。樣品開始發(fā)泡膨脹，漲到一定的高度后，反應(yīng)開始停止不再膨脹發(fā)泡。靜止等到冷卻后就得樣品，最終得到的粉煤灰/聚氨酯復(fù)合材料。

2.2 粉煤灰/聚氨酯復(fù)合材料制備單因素實驗

2.2.1 因素一：催化劑

實驗所需催化劑用量通過計算占總體系的:0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%。得到催化劑所需最好催化反應(yīng)用量。

2.2.2 因素二：穩(wěn)泡劑

通過控制穩(wěn)泡劑用量占總體系的0.1%、0.6%、1.1%、1.6%。根據(jù)實驗的穩(wěn)泡效果得到最好穩(wěn)泡劑用量。

2.2.3 因素三：粉煤灰的占總體系的量

通過改變加入粉煤灰的量能與聚氨酯形成性能比較具有抗性的復(fù)合材料，,通過查找相關(guān)文獻可知計算占總體系粉煤灰的量可定為：2.5%、3.5%、4.5%、4.5%、5.5%、6.5%、7.5%、8.5%、9.5%。以找到最佳硬度的樣品。

2.2.4 因素四：改變發(fā)泡劑

總體系計算發(fā)泡劑的用量設(shè)定值1%、1.5%、2%、2.5%。通過實驗找出最優(yōu)發(fā)泡劑用量。

2.3 單因素實驗的結(jié)果分析

2.3.1 催化劑的單因素實驗結(jié)果分析

圖1 改變催化劑抗壓縮應(yīng)力圖

經(jīng)過催化劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應(yīng)力測試，通過圖1可知催化劑為0.4%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應(yīng)力，最大為36 MPa。

2.3.2 穩(wěn)泡劑的單因素實驗結(jié)果分析

經(jīng)過穩(wěn)泡劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應(yīng)力測試，通過圖2可知穩(wěn)泡劑為0.1%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應(yīng)力，最大為250 MPa。

圖2 改變穩(wěn)泡劑抗壓縮應(yīng)力圖

2.3.3 粉煤灰的單因素實驗結(jié)果分析

經(jīng)過粉煤灰單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應(yīng)力測試，通過圖3可知粉煤灰為8.5%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應(yīng)力，最大為400 MPa。

圖3 改變粉煤灰抗壓縮應(yīng)力圖

2.3.4 發(fā)泡劑的單因素實驗結(jié)果分析

圖4 改變發(fā)泡劑抗壓縮應(yīng)力圖

經(jīng)過發(fā)泡劑單因素實驗，在各個因素得到樣品材料中進行抗壓縮應(yīng)力測試，通過圖4可知發(fā)泡劑為1%時候用量得到最好抗壓縮性能材料，所承受抗壓應(yīng)力，最大為315 MPa。

2.3.5 制備粉煤灰/聚氨酯復(fù)合材料的最好占比

通過單因素實驗找到各個因素最好占比為催化劑0.4%、穩(wěn)泡劑0.1%、粉煤灰8.5%。找到各個因素最優(yōu)占比提高了粉煤灰/聚氨酯復(fù)合材料的性能和復(fù)合材料的抗壓縮應(yīng)力。經(jīng)過對改變發(fā)泡劑的單因素實驗，可知體系本身具有發(fā)泡效果，加入發(fā)泡劑只是讓體系發(fā)泡均勻，維穩(wěn)體系反應(yīng)。

2.4 正交實驗設(shè)計與結(jié)果

2.4.1 正交試驗的設(shè)計

通過科學(xué)的方法，進行實驗研究。正交實驗是多因素多水平的又一種設(shè)計方法，是一種高效率、快速、經(jīng)濟的實驗設(shè)計方法。單因素進行分析后，根據(jù)抗壓縮測試圖的變化趨勢圖，復(fù)合材料所承受抗壓應(yīng)力的大小程度，決定正交實驗，設(shè)定為正交實驗計劃表如表1。

表1 實驗計劃水平表

2.4.2 正交試驗的結(jié)果

通過測試復(fù)合材料抗壓縮應(yīng)力的方法，得到實驗結(jié)果如表2所示。

表2 正交實驗結(jié)果表

2.4.3 正交實驗結(jié)果分析

根據(jù)實驗樣品材料的抗壓縮應(yīng)力為主要指標(biāo)，對實驗結(jié)果進行了直觀分析，結(jié)果如表3所示。

通過表3可以直觀看出各列對實驗因素指標(biāo)的影響，級差D2=155.500最大，依次是D1=148.750，D4=132.250最小D1=87.500。通過實驗可知各個因素對實驗指標(biāo)的影響是發(fā)泡劑、催化劑、粉煤灰、穩(wěn)泡劑。最佳樣品為實驗11的樣品。而這也與8.5%的最大抗壓縮強度實驗結(jié)果相符合。

表3 直觀分析表

3 實驗結(jié)果

實驗經(jīng)過單因素實驗再進行正交試驗，以測試材料的抗壓縮應(yīng)力為指標(biāo)，得出最好的制備工藝的條件為：粉煤灰8.5%、發(fā)泡劑1%、穩(wěn)泡劑0.1%、催化劑0.4%。在此條件小制備出的復(fù)合材料有著較好的應(yīng)用價值。其中的發(fā)泡劑對材料性能影響最大，再到催化劑、粉煤灰、穩(wěn)泡劑。通過正交實驗結(jié)果可以的得出，粉煤灰/聚氨酯復(fù)合材料各個因素的最佳用量為粉煤灰8.5%、發(fā)泡劑1%、穩(wěn)泡劑0.1%、催化劑0.4%。進行制備可得抗壓縮強度高的復(fù)合材料。復(fù)合材料有著很好防震、防水、耐熱、強度較高得性能，這種材料的抗壓性能較好，具有潛在的工業(yè)應(yīng)用價值。