一种吸水性泡沫材料及其制备方法
阅读说明：本技术 一种吸水性泡沫材料及其制备方法 (Water-absorbing foam material and preparation method thereof ) 是由 梁岳莹 陈明 丁宇升 胡正阳 宋鹏 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种吸水性泡沫材料及其制备方法,该方法包括如下步骤：(1)将聚醚多元醇、高吸水性树脂、开孔剂和极性溶剂进行混合,得到聚醚混合物；(2)将异氰酸酯加入至所述聚醚混合物中,搅拌均匀,得到反应发泡液；(3)将所述反应发泡液浇铸至模具中并进行发泡,制得所述吸水性泡沫材料。本发明利用高吸水性树脂优异的吸水性和锁水性以及泡沫材料泡孔的稳定结构,将高吸水性树脂与泡沫材料相结合,并基于聚醚多元醇、高吸水性树脂、开孔剂和异氰酸酯,能够使高吸水树脂均匀分布在泡沫材料中；同时利用水的高比热容和高蒸发潜热,使外界热量与水蒸发吸收的热量相互抵消,从而使泡沫材料具有优异的隔热性能。(The invention provides a water-absorbing foam material and a preparation method thereof, wherein the method comprises the following steps: (1) mixing polyether polyol, super absorbent resin, a pore-forming agent and a polar solvent to obtain a polyether mixture; (2) adding isocyanate into the polyether mixture, and uniformly stirring to obtain a reaction foaming liquid; (3) and casting the reaction foaming liquid into a mould for foaming to prepare the water-absorbent foam material. The super absorbent resin is combined with the foam material by utilizing the excellent water absorption and water locking performance of the super absorbent resin and the stable structure of foam pores, and the super absorbent resin can be uniformly distributed in the foam material based on polyether polyol, the super absorbent resin, a pore-opening agent and isocyanate; meanwhile, the high specific heat capacity and the high latent heat of evaporation of water are utilized, so that the external heat and the heat absorbed by the evaporation of the water are mutually offset, and the foam material has excellent heat insulation performance.)
技术领域
本发明涉及泡沫材料技术领域，特别涉及一种吸水性泡沫材料及其制备方法。
背景技术
高吸水性树脂是一种含有强亲水基团并且具有一定交联度的功能性高分子材料，其不溶于水和有机溶剂，具有自身重量数百倍乃至数千倍的吸水能力，并且具有良好的锁水性。同时，由于水分子具有较高的比热容和蒸发潜热，在水分子蒸发过程中会快速吸收热量，因此可以用高吸水树脂的高吸水性达到隔热的效果；但由于高吸水性树脂吸水膨胀后呈水凝胶态，导致自身强度低、无法维持自身形态，不能单独将其作为隔热材料使用。
传统的泡沫材料仅是通过毛细作用实现水分子的物理吸附，由于亲水性较差，导致水和泡沫材料之间的结合力较弱，且在高过载或压力条件下水分子易与泡沫材料发生分离，但泡沫材料密度较低，透气性较好并且泡孔结构稳定，因此可以利用其稳定的泡孔结构与高吸水树脂进行结合。
中国专利CN112280286一种结构功能一体化的吸水性多孔复合材料及其制备方法，该法通过在聚氨酯发泡剂中加入吸水树脂，使之填充到泡沫体中，实现了异种材料的稳定结合，且结合后的泡沫材料可重复使用，实现了泡沫材料与高吸水性树脂的结构功能一体化，但存在高吸水树脂在泡沫材料中分布不均匀的问题，从而无法确保泡沫材料均匀失水达到隔热效果。
发明内容
本发明提供了一种吸水性泡沫材料及其制备方法，制备得到的泡沫材料具有优异的吸水性能和隔热性能。
第一方面，本发明提供了一种吸水性泡沫材料的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将聚醚多元醇、高吸水性树脂、开孔剂和极性溶剂进行混合，得到聚醚混合物；
(2)将异氰酸酯加入至所述聚醚混合物中，搅拌均匀，得到反应发泡液；
(3)将所述反应发泡液浇铸至模具中并进行发泡，制得所述吸水性泡沫材料。
优选地，所述聚醚多元醇为聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇或五羟基聚醚；
所述高吸水性树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺或丙烯酸-丙烯酰胺共聚物。
优选地，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或多苯基多亚甲基多异氰酸酯。
优选地，所述反应发泡液中包括如下重量份的组分：聚醚多元醇35～55份，异氰酸酯45～65份，高吸水性树脂10～30份，开孔剂10～20份，极性溶剂0.5～10份。
更为优选地，所述反应发泡液中包括如下重量份的组分：聚醚多元醇45～55份，异氰酸酯55～65份，高吸水性树脂20～30份，开孔剂15～20份，极性溶剂4.5～10份。
优选地，在步骤(1)中，所述极性溶剂为甲酰胺水溶液；其中，所述极性溶剂中甲酰胺和水的体积比为(0～10)：1。
优选地，在步骤(2)中，所述搅拌的时间为5～30s，转速为800～3000rpm。
优选地，在步骤(3)中，所述发泡的发泡温度为15～35℃，发泡时间为1～60min。
优选地，在步骤(3)中，所述反应发泡液在15～35℃下的粘度为1.05～7.11Pa·s。
优选地，所述吸水性泡沫材料的孔隙率≥90％。
第二方面，本发明提供了一种吸水性泡沫材料，采用上述第一方面任一所述的制备方法制备得到。
本发明与现有技术相比至少具有如下有益效果：
(1)本发明利用高吸水性树脂优异的吸水性和锁水性以及泡沫材料泡孔的稳定结构，将高吸水性树脂与泡沫材料相结合，并基于聚醚多元醇、高吸水性树脂、开孔剂和异氰酸酯，能够使高吸水树脂均匀分布在泡沫材料中；同时利用水的高比热容和高蒸发潜热，使外界热量与水蒸发吸收的热量相互抵消，从而使泡沫材料具有优异的隔热性能；
(2)本发明通过将高吸水性树脂和泡沫材料相稳定结合，实现了二者优缺点的互补，不仅提高了泡沫材料的吸水性和锁水性，而且克服了高吸水树脂吸水膨胀后易变形的问题；
(3)本发明制备的吸水性泡沫材料可以通过调节高吸水树脂的吸水能力达到不同的隔热效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种吸水性泡沫材料的制备方法的流程图；
图2为本发明实施例和对比例制得的吸水性泡沫材料的时间-温度曲线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种吸水性泡沫材料的制备方法，如图1所示，该制备方法包括如下步骤：
(1)将聚醚多元醇、高吸水性树脂、开孔剂和极性溶剂进行混合，得到聚醚混合物；
(2)将异氰酸酯加入至所述聚醚混合物中，搅拌均匀，得到反应发泡液；
(3)将所述反应发泡液浇铸至模具中并进行发泡，制得所述吸水性泡沫材料。
需要说明的是，在本发明中，在步骤(3)中的反应发泡液发泡至充满模具之后，可以将发泡体从模具中取出并根据需要切割成具有目标尺寸的吸水性泡沫材料。
根据一些优选的实施方式，所述聚醚多元醇为聚醚二醇、聚醚三醇、聚醚四醇或五羟基聚醚；
所述高吸水性树脂为聚丙烯酸钠、聚丙烯酰胺或丙烯酸-丙烯酰胺共聚物。
根据一些优选的实施方式，所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯、六亚甲基二异氰酸酯或多苯基多亚甲基多异氰酸酯。
需要说明的是，在本发明中，本发明中聚醚多元醇、高吸水性树脂和异氰酸酯包括但不限于上述所述种类。
在本发明中，开孔剂可以为硅氧烷共聚物、多胺化合物、脂类或聚丁二烯；同样的，开孔剂包括但不限于上述种类。
根据一些优选的实施方式，所述反应发泡液中包括如下重量份的组分：聚醚多元醇35～55份(例如，可以为35份、40份、43份、45份、48份、50份、53份或55份)，异氰酸酯45～65份(例如，可以为45份、48份、50份、53份、55份、60份或65份)，高吸水性树脂10～30份(例如，可以为10份、15份、18份、20份、25份或30份)，开孔剂10～20份(例如，可以为10份、13份、15份、18份或20份)，极性溶剂0.5～10份(例如，可以为0.5份、1份、3份、5份、7份或10份)。
根据一些更为优选的实施方式，所述反应发泡液中包括如下重量份的组分：聚醚多元醇45～55份(例如，可以为45份、48份、50份、53份或55份)，异氰酸酯55～65份(例如，可以为55份、58份、60份或65份)，高吸水性树脂20～30份(例如，可以为20份、25份、28份或30份)，开孔剂15～20份(例如，可以为15份、16份、17份、18份或20份)，极性溶剂4.5～10份(例如，可以为4.5份、5份、7份、8份、9份或10份)。
需要说明的是，在本发明中，聚醚多元醇的添加量为35～55份，当聚醚多元醇的添加量低于35份时，会使得发泡过程中形成的泡孔出现坍塌现象；而当聚醚多元醇的添加量高于55份时，发泡过程中产生的泡孔会出现萎缩现象，因此，添加量在本发明范围内，可以保证发泡过程中形成的泡孔大小形状均匀。
经实验证实，高吸水性树脂的添加量为10～30份时，可以与泡沫材料稳定结合，并且可以使制得泡沫材料具有较好的吸水性和隔热性，当高吸水性树脂的添加量低于10份时，会使泡沫材料的吸水性降低；而当高吸水性树脂的添加量高于30份时，由于产生的泡孔有限，使得高吸水性树脂不能稳定的固定在泡沫材料的泡孔中，从而影响高吸水性树脂与泡沫材料的结合。
根据一些优选的实施方式，在步骤(1)中，所述极性溶剂为甲酰胺水溶液；其中，所述极性溶剂中甲酰胺和水的体积比为(0～10)：1(例如，可以为0.1：1、0.5：1、1：1、3：1、5：1、8：1或10：1)。
根据一些优选的实施方式，在步骤(2)中，所述搅拌的时间为5～30s(例如，可以为5s、10s、15s、20s、25s或30s)，转速为800～3000rpm(例如，可以为800rpm、1000rpm、1500rpm、2000rpm、2500rpm或3000rpm)。
需要说明的是，在本发明中，制备反应发泡液时的搅拌转速太低、搅拌时间太短时，会使反应过程中不能快速发泡，无法形成泡孔结构；而当搅拌转速太高、搅拌时间太长使，又会反应过程中发泡速度过快，影响工艺效果。
根据一些优选的实施方式，在步骤(3)中，所述发泡的发泡温度为15～35℃(例如，可以为15℃、18℃、20℃、23℃、25℃、28℃、30℃或35℃)，发泡时间为1～60min(例如，可以为1min、10min、20min、30min、40min、50min或60min)。
需要说明的是，在反应发泡液发泡过程中，当发泡温度和时间低于上述范围时，发泡过程太慢，并且形成的泡孔也不均匀；而当发泡的温度和时间高于上述范围时，会使发泡速度过快，未将发泡液倒入模具中，泡孔已经成型，影响泡沫材料的成型。
根据一些优选的实施方式，在步骤(3)中，所述反应发泡液在15～35℃下的粘度为1.05～7.11Pa·s(例如，可以为1.05Pa·s、1.5Pa·s、2Pa·s、2.5Pa·s、3Pa·s、4Pa·s、5Pa·s、6Pa·s、7Pa·s或7.11Pa·s)。
在本发明中，反应发泡液的粘度为1.05～7.11Pa·s，当粘度过低时，会使发泡液易流动，泡沫材料不易成型，当粘度过高时，发泡液的流动性太差，不易将其转移至模具中，工艺性较差。
根据一些优选的实施方式，所述吸水性泡沫材料的孔隙率≥90％。
需要说明的是，在本发明中，泡沫材料的泡孔为开孔结构，且当孔隙率达到90％以上时，可以将高吸水性树脂均匀的分布在泡沫材料中，利用泡沫材料均匀的泡孔结构将高吸水性树脂稳定固定，克服了高吸水性树脂在吸水后难以维型的问题，同时，利用水的高比热容和高蒸发潜热实现了泡沫材料的隔热效果，使制备得到的泡沫材料兼具优异的吸水性和隔热性。
本发明还提供了一种吸水性泡沫材料，采用上述所述的一种吸水性泡沫材料及其制备方法进行制备得到。
为了更加清楚地说明本发明的技术方案及优点，下面通过几个实施例对一种吸水性泡沫材料及其制备方法进行详细说明。
实施例1：
(1)将聚醚二醇35质量份、聚丙烯酸钠10质量份、开孔剂10质量份和极性溶剂1质量份(甲酰胺水溶液：甲酰胺和去离子水的体积比0.1:1)进行混合，得到聚醚混合物；
(2)将多苯基多亚甲基多异氰酸酯45质量份加入至聚醚混合物中，于800rpm的转速下搅拌10s，得到反应发泡液(35℃下粘度为1.23Pa·s)；
(3)将反应发泡液浇铸至模具中，控制温度为25℃，发泡15min，制得吸水性泡沫材料。
实施例2
(1)将聚醚三醇45质量份、聚丙烯酰胺20质量份、开孔剂15质量份和极性溶剂4.5质量份(甲酰胺水溶液：甲酰胺和去离子水的体积比5:1)进行混合，得到聚醚混合物；
(2)将二苯基甲烷二异氰酸酯55质量份加入至聚醚混合物中，于2000rpm的转速下搅拌30s，得到反应发泡液(25℃下粘度为2.25Pa·s)；
(3)将反应发泡液浇铸至模具中，控制温度为25℃，发泡30min，制得吸水性泡沫材料。
实施例3
(1)将聚醚四醇55质量份、聚丙烯酸钠30质量份、开孔剂20质量份和极性溶剂10质量份(甲酰胺水溶液：甲酰胺和去离子水的体积比9:1)进行混合，得到聚醚混合物；
(2)将六亚甲基二异氰酸酯65质量份加入至聚醚混合物中，搅拌均匀，于3000rpm的转速下搅拌25s，得到反应发泡液(15℃下粘度为4.03Pa·s)；
(3)将反应发泡液浇铸至模具中，控制温度为30℃，发泡45min，制得吸水性泡沫材料。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)制备聚醚混合物时不加入高吸水性树脂聚丙烯酸钠。
对比例2
对比例2与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中聚丙烯酸钠为5质量份。
对比例3
对比例3与实施例1基本相同，不同之处在于：在步骤(1)中聚丙烯酸钠为40质量份。
表1为实施例1至3和对比例1至3中各个组分的用量及反应条件；将上述实施例1至3和对比例1至3得到的吸水性泡沫材料分别按照如下方式进行了吸水性能测试和隔热性能测试，测试数据如表2所示。
吸水性能测试：在室温条件下，将实施例1至3和对比例1至3制得的吸水性泡沫材料完全浸入1L去离子水中，吸水溶胀4h，以达到饱和溶胀状态。将吸水饱和状态下的吸水性泡沫材料用200目筛网过滤至无水滴滴下，称量此时饱和状态下吸水性泡沫材料的质量，并计算吸水性泡沫材料的吸水倍数；其中吸水倍数为饱和状态下吸水性泡沫材料的质量与该吸水性泡沫材料自身质量的比值。
隔热性能测试：将实施例1至3和对比例1至3制得的吸水性泡沫材料吸水至饱和状态，采用150℃单面加热方式加热60min，每间隔10min采用热电偶对吸水性泡沫材料的温度进行测量，根据测量结果绘制时间-温度曲线，如图2所示。
表1
表2
由表1和表2可知，实施例1至3中制得的吸水性泡沫材料的吸水性能优异，吸水能力达到了自身重量的35倍以上，并且从图2中可以看出，实施例1至3中的吸水性泡沫材料加热之后，泡沫材料背面的温度随时间的延长而逐步升高，但始终维持在70℃以下；而在对比例1中，不加入高吸水性树脂制得的泡沫材料吸水性能较差，吸水性量只能达到自身重量的10倍左右，并且在图2中，泡沫材料的温度随时间的延长逐步上升，达到了140℃左右，耐温性能较差；在对比例2和3中，高吸水性树脂添加量低于和高于本申请范围，都会使得泡沫材料的吸水性能和隔热性能变差。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。本发明未详细说明部分为本领域技术人员公知技术。