具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法
阅读说明：本技术 具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法 (Hard polyurethane foam plastic with constant temperature function and preparation method thereof ) 是由 范犁生 于 2020-12-14 设计创作，主要内容包括：本发明公开了具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料,根据以下重量份的组分配称组成：多异氰酸酯70-90重量份；多元醇50-80重量份；发泡剂4-10重量份；催化剂0.5-1重量份；开孔剂1-5重量份；泡沫稳定剂1-2重量份；交联剂1-2重量份；外发泡剂1-3重量份；相变蓄热材料5-10重量份；膨胀石墨3-7重量份；硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法,能够显著的改善硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能,并使其在较低密度时仍具备良好的机械性能,同时具备保温与调温功能,大大提高了其在建筑材料领域的可用性。(The invention discloses a hard polyurethane foam plastic with a constant temperature function, which is prepared from the following components in parts by weight: 70-90 parts by weight of polyisocyanate; 50-80 parts of polyol; 4-10 parts of foaming agent; 0.5-1 part by weight of catalyst; 1-5 parts of a pore forming agent; 1-2 parts of foam stabilizer; 1-2 parts of a crosslinking agent; 1-3 parts of an external foaming agent; 5-10 parts of phase change heat storage material; 3-7 parts of expanded graphite; the rigid polyurethane foam plastic and the preparation method thereof can obviously improve the flame retardant property of the rigid polyurethane foam plastic, ensure that the rigid polyurethane foam plastic still has good mechanical property at lower density, simultaneously have the functions of heat preservation and temperature regulation, and greatly improve the usability of the rigid polyurethane foam plastic in the field of building materials.)
技术领域
本发明涉及泡沫塑料技术领域，具体为具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法。
背景技术
硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF）是一种有着优异的绝热保温性能的结构材料，能承受一定的载荷而不发生明显变形，它还有密度小、比强度高、尺寸稳定性好、耐高温及与其他基体粘结性好等诸多优点。因此，聚氨酯硬泡得到了迅速的发展，在国民经济各个领域得到了广泛的应用，已经成为不可或缺的高分子材料之一。在国外，聚氨酯硬泡主要应用于建筑保温领域。而在国内聚氨酯硬泡则主要应用于冰箱、冷柜和管道等保温领域，在建筑保温领域的应用则尚处于起步阶段。随着人们节能环保意识的增强以及国家节能标准的不断提高，聚氨酯硬泡在建筑保温领域的应用将迎来爆发式的增长，硬泡领域将成为聚氨酯行业未来最大的需求亮点。
目前制约硬质聚氨酯泡沫塑料广泛应用的障碍主要有一是其阻燃性不足，单纯在配料中增加阻燃物质会引起反应的连锁变化，影响泡沫塑料的机械强度和质量稳定性；二是该材料只能用于保温，却不具备调温功能，在用于建筑材料的情况下由于季节的温度变化，只能适用于极端寒冷的地区，适用范围不大；三是虽然其机械强度与保温性能较好，但建筑用的硬质聚氨酯泡沫塑料的密度通常大于150kg/m3，密度仍然较大，原料成本和运输安装成本均较高，若降低密度，其韧性与抗拉抗剪切强度以及保温性能下降明显。这些不足大大限制了其在建筑材料领域的广泛应用。
发明内容
本发明提供的发明目的在于提供具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法，能够显著的改善硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性能，并使其在较低密度时仍具备良好的机械性能，同时具备保温与调温功能，大大提高了其在建筑材料领域的可用性。
为了实现上述效果，本发明提供如下技术方案：
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料，根据以下重量份的组分配称组成：
多异氰酸酯 70-90重量份；
多元醇 50-80重量份；
发泡剂 4-10重量份；
催化剂 0.5-1重量份；
开孔剂 1-5重量份；
泡沫稳定剂 1-2重量份；
交联剂 1-2重量份；
外发泡剂 1-3重量份；
相变蓄热材料 5-10重量份；
膨胀石墨 3-7重量份。
优选的，所述相变蓄热材料为CaCl2.6H2O。
优选的，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI)的一种或多种混合。
优选的，所述多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇。
优选的，所述催化剂为双二甲基胺基乙基醚或三亚乙基二胺。
优选的，所述泡沫稳定剂为硅油；所述交联剂为三醇或四醇；所述发泡剂为HCFC-141b。
优选的，所述配方中还包括1-5重量份的环氧树脂；所述环氧树脂分散填充在以棕榈酸或硬脂酸为载体的包心工艺或胶囊成型的空心结构中，单个丸体直径不超过5mm。
优选的，所述环氧树脂为热固化型环氧树脂或潜伏型环氧树脂。
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，用于制备所述的有机硅泡沫塑料，包括：
将多异氰酸酯、多元醇、交联剂、相变蓄热材料和膨胀石墨混合搅拌；然后加入发泡剂、交联剂、开孔剂、泡沫稳定剂、外发泡剂以及以及丸体结构二次搅拌，最后加入催化剂快速搅拌后发泡。
优选的，发泡完成后，保温5-10min后逐渐降温至室温。
本发明提供了具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料及其制备方法，具备以下有益效果：
1、本发明在硬质聚氨酯泡沫塑料中添加相变蓄热材料，该相变蓄热材料的相变温度在29℃左右，非常适用于建筑或家具领域，结合了相变蓄热性能的硬质聚氨酯泡沫塑料自身的优点，同时具备一定的恒温功能，由于硬质聚氨酯泡沫塑料的保温能力较强，为了增加与相变蓄热材料的功能结合，还添加了膨胀石墨，通过添加膨胀石墨能够有机的结合相变蓄热材料和硬质聚氨酯泡沫塑料，能够大大增加相变蓄能材料的导热面积和导热率，从而对外界温度更敏感有效的作出反应和调节，与此同时，膨胀石墨能够显著增加硬质聚氨酯泡沫塑料的阻燃性，它在高温下体积迅速膨胀，形成的“蠕虫”状残炭会迅速堵塞聚氨酯泡沫塑料的表面,形成致密的炭层，保护炭层下的泡沫主体，阻隔火焰的传播，属物理膨胀阻燃机理，受热自身膨胀成炭阻燃，具有膨胀速度快、膨胀倍率高、阻燃效果好的优点；并且相变蓄能材料也能有效的提高硬质聚氨酯的抗热和阻燃性能，延长其抗燃时间。
2、本发明使用包心或胶囊结构的丸体包裹热固型或潜伏型环氧树脂，使其分散在物料中，由于硬质聚氨酯泡沫塑料在发泡期间，内部温度会提高到一百摄氏度以上，因此，丸体会融化释放其内部的环氧树脂，此时物料发泡已经开始进行，体积已经快速膨胀，内部气孔和多孔脉络逐渐形成；此时丸体融化，内部的环氧树脂被释放，沿多孔脉络延伸连接，从而在发泡中的物料内部形成网状骨骼，从而显著的增强了泡沫塑料的结构强度，并且由于环氧树脂具有较好的弹性，因此制备的泡沫塑料回弹性能显著提高；丸体结构包覆环氧树脂可以避免环氧树脂提前固化，也可以避免直接添加环氧树脂使环氧树脂在物料中过于分散，最终独立存在无法形成网状骨骼。
3、发泡过程中，微小的泡核形成以后，体系内气体会逐渐增多，从而气泡体积会渐渐长大，反应体系溶液或树脂溶液成为泡孔壁。由于泡孔的胀大导致泡孔壁慢慢变薄，所以要求体系粘度足够大，从而保证气孔壁强度够大，防止塌泡现象的发生。但是粘度太大的话容易导致体系溶液流动性变差，体系不能及时弥补薄的气孔壁，使得气孔溢出，获得的塑料气孔小，密度大。在现有技术中，为了得到质轻，压缩模量大的产品，要调整配方以获得粘度适宜的反应液，而合适配方均为大企业商业秘密，且配方与调配过程受到的影响因素大，难以保障良品率，造成成本的增加与门槛的过高；本发明由于在发泡中后期额外在物料内部形成了网状骨骼结构，一是增加了物料内部的结构强度，二是能够引导气体通行，因此对于气孔壁的强度要求大大降低，容错率高，在生产过程中可以降低现有配方的粘度而不影响气孔的尺寸，因此能够大大降低生产成本和生产高质量泡沫塑料的门槛，同时降低生产成本。
4、通过相变蓄热材料、环氧树脂形成的脉络结构与硬质聚氨酯泡沫塑料结合，可以形成一种新的泡沫塑料，本发明的硬质聚氨酯泡沫塑料密度较传统的建筑用硬质聚氨酯泡沫塑料小得多，但由于环氧树脂形成的脉络结构因此仍具备较强的机械强度，包括抗拉强度、剪切强度和弹性回复性能，具备硬质聚氨酯泡沫塑料的传统优点，同时还具备一定的调温能力以及良好的阻燃性能。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
实施例1：
本发明提供的具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料，根据以下重量份的组分配称组成：
多异氰酸酯 70重量份；
多元醇 80重量份；
发泡剂 4重量份；
催化剂 0.5重量份；
开孔剂 1重量份；
泡沫稳定剂 1重量份；
交联剂 1重量份；
外发泡剂 1重量份；
相变蓄热材料 5重量份；
膨胀石墨 3重量份。
进一步的，所述相变蓄热材料为CaCl2.6H2O。
进一步的，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI)的一种或多种混合。
进一步的，所述多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇。
进一步的，所述催化剂为双二甲基胺基乙基醚或三亚乙基二胺。
进一步的，所述泡沫稳定剂为硅油；所述交联剂为三醇或四醇；所述发泡剂为HCFC-141b。
进一步的，所述配方中还包括1重量份的环氧树脂；所述环氧树脂分散填充在以棕榈酸或硬脂酸为载体的包心工艺或胶囊成型的空心结构中，单个丸体直径不超过5mm。
进一步的，所述环氧树脂为热固化型环氧树脂或潜伏型环氧树脂。
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，用于制备所述的有机硅泡沫塑料，包括：
将多异氰酸酯、多元醇、交联剂、相变蓄热材料和膨胀石墨混合搅拌；然后加入发泡剂、交联剂、开孔剂、泡沫稳定剂、外发泡剂以及以及丸体结构二次搅拌，最后加入催化剂快速搅拌后发泡。
进一步的，发泡完成后，保温5-10min后逐渐降温至室温。
实施例2：
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料，根据以下重量份的组分配称组成：
多异氰酸酯 90重量份；
多元醇 50重量份；
发泡剂 10重量份；
催化剂 1重量份；
开孔剂 5重量份；
泡沫稳定剂 2重量份；
交联剂 2重量份；
外发泡剂 3重量份；
相变蓄热材料 10重量份；
膨胀石墨 7重量份。
进一步的，所述相变蓄热材料为CaCl2.6H2O。
进一步的，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI)的一种或多种混合。
进一步的，所述多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇。
进一步的，所述催化剂为双二甲基胺基乙基醚或三亚乙基二胺。
进一步的，所述泡沫稳定剂为硅油；所述交联剂为三醇或四醇；所述发泡剂为HCFC-141b。
优选的，所述配方中还包括5重量份的环氧树脂；所述环氧树脂分散填充在以棕榈酸或硬脂酸为载体的包心工艺或胶囊成型的空心结构中，单个丸体直径不超过5mm。
进一步的，所述环氧树脂为热固化型环氧树脂或潜伏型环氧树脂。
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，用于制备所述的有机硅泡沫塑料，包括：
将多异氰酸酯、多元醇、交联剂、相变蓄热材料和膨胀石墨混合搅拌；然后加入发泡剂、交联剂、开孔剂、泡沫稳定剂、外发泡剂以及以及丸体结构二次搅拌，最后加入催化剂快速搅拌后发泡。
进一步的，发泡完成后，保温5-10min后逐渐降温至室温。
实施例3：
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料，根据以下重量份的组分配称组成：
多异氰酸酯 80重量份；
多元醇 70重量份；
发泡剂 7重量份；
催化剂 0.7重量份；
开孔剂 3重量份；
泡沫稳定剂 1.5重量份；
交联剂 1.5重量份；
外发泡剂 2重量份；
相变蓄热材料 7重量份；
膨胀石墨 5重量份。
进一步的，所述相变蓄热材料为CaCl2.6H2O。
进一步的，所述多异氰酸酯为甲苯二异氰酸酯（TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）或多亚甲基多苯基多异氰酸酯（PAPI)的一种或多种混合。
进一步的，所述多元醇为聚酯多元醇或聚醚多元醇。
进一步的，所述催化剂为双二甲基胺基乙基醚或三亚乙基二胺。
进一步的，所述泡沫稳定剂为硅油；所述交联剂为三醇或四醇；所述发泡剂为HCFC-141b。
优选的，所述配方中还包括3重量份的环氧树脂；所述环氧树脂分散填充在以棕榈酸或硬脂酸为载体的包心工艺或胶囊成型的空心结构中，单个丸体直径不超过5mm。
进一步的，所述环氧树脂为热固化型环氧树脂或潜伏型环氧树脂。
具有恒温功能的硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，用于制备所述的有机硅泡沫塑料，包括：
将多异氰酸酯、多元醇、交联剂、相变蓄热材料和膨胀石墨混合搅拌；然后加入发泡剂、交联剂、开孔剂、泡沫稳定剂、外发泡剂以及以及丸体结构二次搅拌，最后加入催化剂快速搅拌后发泡。
进一步的，发泡完成后，保温5-10min后逐渐降温至室温。
将上述3个实施例制备的硬质聚氨酯泡沫塑料与市场上采购的某龙头企业销售的建筑用硬质聚氨酯泡沫塑料进行性能测试对比，测试结果归纳如下：
由以上可以看出，采用本发明的配方和工艺，获得的硬质聚氨酯泡沫塑料密度相比对照试样大大降低，但与此同时，虽然各项试验参数不及对照试样，但仍能够较好的保持各项机械性能与对照试样接近，总体来说，相对其密度，其机械性能的表现极为优异，具备大批量低成本生产、运输和安装的条件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
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