超细煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能

刘锐利 曹 文 庞青涛

(陕西煤业化工新型能源有限公司，陕西 西安 710100)

超细煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能

刘锐利 曹 文 庞青涛

(陕西煤业化工新型能源有限公司，陕西 西安 710100)

以聚合MDI和聚醚多元醇为原料，优选发泡剂，加入改性超细煤粉作为填充剂，制备出硬质聚氨酯泡沫材料。通过测试煤粉填充聚氨酯泡沫材料的表观密度、回弹率、压缩强度和氧指数进行分析。结果表明，发泡剂H用量0.1 g时制备的聚氨酯泡沫压缩强度、回弹率较好；加入KH550和KH560改性的超细煤粉，随着煤粉用量增加，聚氨酯泡沫的压缩强度、氧指数得到明显改善。当KH560改性煤粉用量为15份时，聚氨酯性能最优，压缩强度达到0.40 MPa，氧指数达到21%，回弹率为5.4%，密度为0.064 g/cm3。

聚氨酯泡沫 力学性能 氧指数 超细煤粉

聚氨酯泡沫具有优良的声学、电学、耐溶剂、保温性能。广泛应用于汽车、冰箱的制造业、交通运输业、建筑行业、鞋业、石油化工、航空等许多领域，已成为生活不可缺少的材料之一。近年来，聚氨酯于农业、医药卫生、三废治理、国防军事等领域开辟了新的用途[1]。在应用中，聚氨酯的成本及力学性能的改善均需要添加部分填料得以实现，其主要集中于膨胀石墨(EG)、珍珠岩粉[2,3]，炭黑、空心玻璃、粉末尼龙[4]、木质素纤维[5]及纳米材料。珍珠岩粉不仅可以降低聚氨酯的成本，也进一步改善保温性能，提高了阻燃性。空心玻璃微珠加入后，聚氨酯泡沫的泡孔减小，压缩强度提高，而对材料的阻尼性无显著影响。聚倍半硅氧烷(POSS)作为纳米无机/有机杂化材料引入聚氨酯泡沫体系，能够明显提高聚氨酯泡沫的热稳定性、耐水性和耐候性等性能。

超细煤粉具有比表面积大、与聚合物相容性好的特点，已经作为填充材料替代炭黑应用于聚合物领域[6，7]。以煤粉制备过程中分离出的超细煤粉为原料，经改性处理后，与聚氨酯具有较好的相容性，其可有效降低聚氨酯的成本，为此，以改性超细煤粉为填充剂，研究超细煤粉填充聚氨酯泡沫材料的性能，为超细煤粉在聚氨酯填充材料方面提供经验。

1实验部分

1.1 实验原料及设备

电热恒温水浴锅，型号DZKW-4，上海科析实验仪器厂；定时电动搅拌机，型号JJ-1，金坛市华峰仪器有限公司；电子天平，型号FA1004N，上海精密科学仪器有限公司；真空干燥箱，型号DZF-6020，杭州蓝天化验仪器厂；电子控制万能实验机，型号KD-50型，深圳市凯强利电子有限公司；氧指数测定仪，型号LFY-606，山东省纺织科学研究院。

1.2 基础配方

表1 原料及实验基础配方Table 1 Raw materials and basic formulation

注:超细煤粉，自制灰分Aad为8.51%，挥发分Vad为33.01%，平均粒径6 μm，密度0.78 g/cm3(20 ℃)。

1.3 试样的制备

(1)煤粉的改性：称量200g超细煤粉，于105 ℃温度下真空干燥3 h，然后取100 g于三口瓶中，水浴温度为80 ℃时，加入4 g改性溶液(KH-550：无水乙醇：1∶1)，高速搅拌20 min后，再于105 ℃下干燥2 h。

(2)煤粉填充聚氨酯泡沫材料的制备

准确称量聚醚多元醇、聚合MDI、发泡剂、二甲基硅油、煤基填料以及二月桂酸二丁基锡，按次序依次加入，搅拌30 s后，移入固定模具在常温下发泡，待发泡结束后于50 ℃下后处理12 h。

1.4 结构表征和性能测试

(1)压缩强度测试

参照GB/T8813-2008《硬质泡沫塑料压缩试验方法》测定。压缩速率为2 mm/min。取样品10%变形量时的测试值。

(2)落球回弹率测定

标准钢珠从直径d=16.0mm、高H0=51.5cm的有机玻璃管中自由落下，测定其第一次弹起高度，重复3次，取平均值为H，按式(1)计算回弹率：

(1)

式中：R-回弹率，%；H-钢球回弹高度，mm；H0-钢球落下高度，mm。

(3)表观密度测定

根据GB/T6343-2009的标准测定。精确称取试样的重量m，测量样品的尺寸，并计算其体积V。根据式(2)计算其密度：

(2)

(4)氧指数测试

参照GB/T 5454-1997测定氧指数。计算按公式(3)进行：

OI=[O2]/([O2]+[N2])×100%

(3)

式中：[O2]-氧气流量，L/min；[N2]-氮气流量，L/min。

2结果与讨论

2.1 发泡剂对聚氨酯泡沫性能的影响

(1)发泡剂对聚氨酯泡沫压缩强度的影响

图1(a)为发泡剂AC和发泡剂H对聚氨酯泡沫压缩强度的影响，从图1(a)中可知，当发泡剂H用量为0.05g～0.1g时，聚氨酯泡沫压缩强度提高，而当发泡剂H的用量大于0.1g时，压缩强度随着发泡剂用量增加而减小。发泡剂用量过少时，聚氨酯泡沫材料中形成的泡孔少、不均匀，存在应力集中，压缩强度小；当发泡剂用量过多时，孔壁变薄，穿孔现象增多，甚至出现泡孔塌陷，致使压缩强度减小。加入发泡剂AC时，聚氨酯泡沫压缩强度随发泡剂AC用量增加呈增大。发泡剂AC理论发气量为193 mL/g，发泡剂H理论发气量为280 mL/g。与发泡剂H相比，发泡剂AC发气量小，临界分解温度低(120℃)，在聚氨酯泡壁为达到一定力学性能时破壁逃逸，因此，达到相同压缩强度时，用量较发泡剂H多。

图1 不同发泡剂对聚氨酯泡沫性能影响Fig 1 Effect of different foaming agent content on the properties of foamed polyurethane

(2)发泡剂对聚氨酯泡沫回弹率的影响

图1(b)为发泡剂AC和发泡剂H对聚氨酯泡沫回弹率的影响。从图1(b)可知，发泡剂H回弹率整体优于发泡剂AC的样品性能。发泡剂用量为0.1 g时，聚氨酯泡沫的回弹率达最大，发泡剂H和发泡剂AC制备的样品的回弹率分别为25.24%和18.45%；发泡剂用量超过0.1g时，回弹率均下降。

(3)发泡剂对聚氨酯泡沫表观密度的影响

图1(c)为不同发泡剂对聚氨酯泡沫表观密度的影响。由图1(c)可知，随发泡剂量增加，聚氨酯的表观密变化较小。发泡剂H制备的聚氨酯泡沫的表观密度变化范围更小，均在0.045 g/cm3附近，而发泡剂AC制备的样品表观密度变化范围较大，样品稳定性不好。

(4)发泡剂对聚氨酯泡沫氧指数的影响

图1(d)为不同发泡剂对聚氨酯泡沫氧指数的影响。从图1(d)中得出，改变发泡剂种类对聚氨酯泡沫氧指数无明显影响，发泡剂用量增加，聚氨酯泡沫的氧指数无显著变化。

综上所述，发泡剂H用量为0.1 g时制备的聚氨酯泡沫性能较好，以此为基础，研究超细煤粉添加量对聚氨酯泡沫性能的影响。

2.2 煤粉对聚氨酯泡沫性能的影响

(1)煤粉对聚氨酯泡沫的压缩强度的影响

在硬泡配方中，分别加入5份、10份、15份、20份和25份煤基填料，测试其各项性能。图2表示了不同用量的煤基填料对聚氨酯泡沫密度，压缩强度，回弹率，氧指数，的影响。

由图2(a)可知，随着煤基填料用量的增加，使硬泡产生屈服时所承受的最大压缩应力越大，压缩强度就越大，当KH560改性填料用量为15份时，压缩强度达到0.40 MPa。图2(b)可知，随着煤基填料用量的增加，回弹率减小，由于填充的煤基填料增多，密度增大，泡沫的刚度增大，使得泡沫发生一定弹性变形的应力也越大，回弹率减小，加入5 g时，回弹率下降到了6%以下；图2(c)可知，随着煤基填料用量的增加，密度增大。由于煤基填料的增加使得相同体积的泡沫质量增大，所以密度也增大；图2(d)可知，随着煤基填料用量的增大，对泡沫的氧指数有一定的影响，比不加煤基填料时略微增大，氧指数达到21%。这是因为加入煤基填料，硬泡燃烧时会形成碳壳，使泡沫隔绝空气最后熄灭，但阻燃性能没有明显的提高。

图2 煤粉对聚氨酯泡沫性能影响Fig 2 Effect of Pulverized Coal on the properties of foamed polyurethane

3结 论

通过对聚氨酯发泡剂的优选，以发泡剂H用量0.1 g时制备的聚氨酯泡沫压缩强度、回弹率较好；以此为基础，加入KH550和KH560改性的超细煤粉，随着煤粉用量增加，聚氨酯泡沫的压缩强度得到明显改善，当KH560改性煤粉用量为15份时，压缩强度达到0.40 MPa，氧指数达到21%，回弹率为5.4%，密度为0.064 g/cm3。

[1] 朱吕民，刘益军 等．聚氨酯泡沫材料[M].北京：化学工业出版社，2004：3～4.

[2] 杨春柏.聚氨酯泡沫塑料研究进展[J].中国塑料.2009，23(2):12～15.

[3] 陈勇军，李斌，刘岚 等.阻燃型聚氨酯泡沫塑料研究进展[J].塑料科技.2012，40(3):103～109.

[4] 宋元军,李娜.聚氨酯泡沫材料的性能研究[J].化学与黏合.2010，32(2):19～25.

[5] 胡光洲，岳远超，柳月 等.褐煤粉改性聚氨酯泡沫塑料应用研究[J].化工新型材料，2016，43(3):235～237.

[6] 何钊，朱睿颖，石程程.改性煤粉对天然橡胶的性能影响[J].化工时刊，2013，27(1)4～9.

[7] 何钊，李永勃，赵晓亮.煤粉在材料领域中的研究进展[J].技术创新与管理，2013，29(3):247～250.

PerformanceofUltra-FinePulverizedCoalFilledFoamedPolyurethane

Liu Ruili Cao Wen Pang Qingtao

(Shanxi Coal and Chemical Industry New Energy Group CO.Ltd, Shanxi Xi’an 710100)

Foam polyurethane was prepared by polymerizing MDI and polyether polyol as raw materials,with the preferred foaming agent and the modified ultrafine pulverized coal added as the filler. By testing the apparent density of the filling of foamed polyurethane, the compressive strength, resilience rate and the oxygen index were analyzed. The results showed that the compressive strength of the foamed polyurethane which prepared by the amount of 0.1 g of blowing agent was better . The KH550 and KH560 modified ultrafine pulverized coal were added with the amount of pulverized coal.The compressive strength and polyurethane index of foamed polyurethane were improved obviously.When the amount of KH560 modified coal powder was 15per 100 g PU,the polyurethane had the best performance, the compressive strength was 0.40 MPa,the oxygen index was 21%, the resilience rate was 5.4%，and the density was 0.064 g/cm3.

foamed polyurethane mechanical properties oxygen index ultra-fine pulverized coal

10.16597/j.cnki.issn.1002-154x.2017.05.004

2017-04-17

刘锐利(1975～)，男，硕士，工程师，主要从事煤基材料应用的研究；E-mail：863622645@qq.com；通讯作者：庞青涛(1987～)，男，工程师，硕士，从事泡沫高分子材料研究工作。E-mail：254298572@qq.com。