硅藻土改性硬质聚氨酯泡沫性能研究

2018-07-31 01:37祝志雄俞毅王恒华应晓猛胡名卫周聪聪
新型建筑材料 2018年6期
关键词:泡孔氧指数硅藻土

祝志雄 ,俞毅 ,王恒华 ,应晓猛 ,胡名卫 ,周聪聪

(1.浙江省建筑材料科学研究所有限公司,浙江 杭州 311122;2.义乌市墙体材料改革办公室,浙江 义乌 322000)

0 前言

硬质聚氨酯泡沫具有优异的保温性能、较高的强度,并且质轻、施工安装方便,作为建筑材料应用较广[1]。硬质聚氨酯泡沫虽然具有优异的性能,但为了使其具有更好的性能,对其研究也越来越多,特别是通过填料对硬质聚氨酯泡沫进行改性[2]。国内外对硬质聚氨酯泡沫的改性研究有添加空心玻璃微珠、玻璃纤维、可膨胀石墨等。

硅藻土是一种硅质岩石,主要成分为SiO2、质轻、具有多孔结构,可作为一种优异的无机填料[3]。本研究主要通过将硅藻土掺入到聚氨酯发泡反应中,制备硬质聚氨酯泡沫,通过分析其基本性能,得出硅藻土在聚氨酯中的应用情况。

1 试验

1.1 主要原材料

多亚甲基多苯基异氰酸酯:25℃粘度150~250 mPa·s,绍兴市华创聚氨酯有限公司;聚醚多元醇:4110,羟值349 KOH mg/g,25 ℃粘度(2500±50)mPa·s;二月桂酸二丁基锡:化学纯;三乙醇胺:分析纯;硅油:AK-8805,绍兴市华创聚氨酯有限公司;硅藻土:主要化学成分为SiO2,密度0.47 g/cm3,细度325~500目,分析纯,天津市鼎盛鑫化工有限公司;硅烷偶联剂:KH-560,含量≥98%,密度 1.068~1.075 g/cm3,南京创世化工助剂有限公司;蒸馏水:自制。

1.2 硅藻土处理

硅藻土是一种无机材料,要对其进行改性,使其能够均匀地分布在硬质聚氨酯泡沫中。对硅藻土的改性主要将硅藻土浸泡到1%KH-560溶液中1 h,然后放入烘箱中烘干,保证硅藻土表面有1层偶联剂包裹。

1.3 硬质聚氨酯泡沫发泡过程

本试验采用一次发泡法,先称取一定质量的原材料,然后将聚醚多元醇、水、催化剂混合在一起,放到搅拌机中搅均匀,再将硅藻土掺入到混合料中,搅拌均匀,放入水浴锅中保持恒温(30℃),最后将混合料与异氰酸酯混合,搅拌20 s左右,当变成乳白色液体时将其倒入模具(40℃)中,发泡得到所需规格样品。硬质聚氨酯泡沫(PUF)根据GB/T 2918—1998《塑料试样状态调节和试验的标准环境》要求进行养护,然后测试其性能。

1.4 性能测试方法

导热系数按照GB/T 3399—1982《塑料导热系数试验方法护热平板法》进行测试;压缩强度按照GB/T8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》,冲击强度按照GB/T 1843—2008《塑料悬臂梁冲击强度的测定》进行测试,力学性能测试中取6个有效样的平均值;尺寸稳定性按照GB/T 8811—2008《硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法》取3个有效样测试;氧指数按照GB/T 2406.2—2009《塑料用氧指数法测定燃烧行为第2部分:室温试验》进行测试;孔结构通过扫描电镜观察,选取泡沫中间的一小块,以发泡过程横向进行切割,将泡沫放入扫描电镜中进行孔结构观察。

2 试验结果与讨论

2.1 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫导热系数的影响(见图1)

图1 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫导热系数的影响

由图1可以看出,随着硅藻土掺量的增加,PUF的导热系数先减小后增大,在硅藻土掺量为15%时,PUF的导热系数最低,相对于纯水发泡要降低8.0%。这可能是由于硅藻土内部具有很多孔,这种特殊的多孔结构物质添加到PUF中后,会吸附在泡沫孔壁之间,作为一个支撑作用,硅藻土中的特殊孔会与聚氨酯泡孔相连接,增大了孔的面积,使泡孔中气体数量增加,其导热系数就会相应的减小;当硅藻土掺量进一步增加,会有大量硅藻土吸附在泡孔壁上,使泡孔结构破坏,甚至会使封闭孔的数量减少,导热系数增大。

2.2 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响

通过对表观密度的测试与分析,可有效得出PUF的相对质量,以及施工简易程度,因此,研究PUF表观密度的变化对其在建筑施工中的应用有很重要的意义[4]。

图2为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响。

图2 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫表观密度的影响

由图2可以看出,硅藻土的掺入对PUF的表观密度影响不大,随硅藻土掺量的增加,表观密度有所增加,但增加量并不多。这是由于硅藻土质轻,颗粒结构较小,加入到PUF后,对其整体泡沫的表观密度影响不大。

2.3 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫孔结构的影响

图3为硬质聚氨酯泡沫的泡孔结构,其中图 3(a)~(e)硅藻土掺量分别为5%、10%、15%、20%,均为放大50倍后的泡孔结构,图3(f)为硅藻土掺量15%放大350倍的泡孔结构。

由图3可明显看出:纯PUF的泡孔结构相对较大,当加入硅藻土后,泡孔变小,变得更加的密实,当掺入15%硅藻土时,泡孔结构相对较好,再继续掺入20%硅藻土时,可看出泡孔中有少量硅藻土发生团聚,泡孔也出现一定的破裂;由图3(f)可见,硅藻土填充到PUF泡孔壁之间,对整个泡孔起到支柱作用,保证PUF有更加优异的性能。

图3 不同硅藻土掺量硬质聚氨酯的泡孔结构

对硬质聚氨酯的泡孔结构分析可明显看出,硅藻土作为填料加入到硬PUF中后,PUF泡孔结构变得更加的致密,且能够作为支柱结构存在于泡孔之间。硅藻土可有效改善PUF的泡孔结构,适量硅藻土的掺入,可使泡孔更加均匀,而过多的加入会使泡沫出现团聚,破坏孔结构,导致泡沫性能的下降。

2.4 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫力学性能的影响

图4、图5分别为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫压缩强度和冲击强度的影响。

图4 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫压缩强度的影响

由图4可见,随着硅藻土掺量的增加,PUF的压缩强度先有所提高,当掺量为15%时,压缩强度最高,比未掺硅藻土时强度约提高10%;但随硅藻土继续掺入,其强度开始下降。这是由于适量硅藻土的掺入,PUF的孔结构会变得密实,硅藻土也会吸附在泡孔壁上,使PUF的压缩强度相应提高;但当掺量过多时,会发生团聚,破坏泡孔结构,导致压缩强度下降。

图5 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫冲击强度的影响

由图5可知,随硅藻土掺量的增加,PUF的冲击强度先提高后降低。当硅藻土掺量为5%时,冲击强度最高,比未掺硅藻土的约提高4.3%。硅藻土中的SiO2可能会参与到反应中,与泡沫中间产物中的羟基进行结合,发生接枝共聚反应,以此粘 附到泡孔壁上,使冲击性能得以提升。当硅藻土掺量进一步提高,大量的无机材料粘结在一起后会使脆性增大,使得冲击强度降低。

2.5 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性的影响

水发泡聚氨酯反应是通过水与异氰酸酯反应,生成CO2,CO2作为发泡剂参与到反应中,最后填充到泡孔中,形成保温性能较好的材料。PUF是一种具有大量封闭孔的材料,当温度上升到临界温度后,随温度继续升高,会破坏泡孔结构,使CO2气体溢出,出现收缩,收缩过大会影响PUF的性能。图6为硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性的影响。

图6 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫尺寸稳定性影响

由图6可见,随硅藻土掺量的增加,PUF的尺寸稳定性提高,在掺量为15%时稳定性最好;当硅藻土掺量继续增加,稳定性相对变差,但比未添加硅藻土时要好。这是由于硅藻土是一种无机材料,其本身具有很好的稳定性,当掺入到PUF中后会吸附在泡孔壁上,增加了泡孔壁的强度,稳定性也会相应提高,而掺量过多后,会破坏一些泡孔壁,但相对于未掺入的稳定性要好,说明破坏的泡孔壁并不是很多。

2.6 硅藻土对硬质聚氨酯泡沫阻燃性能的影响

图7为硅藻土对硬质聚氨酯泡沫氧指数的影响。

图7 硅藻土掺量对硬质聚氨酯泡沫氧指数的影响

由图7可以看出,随硅藻土掺量的增加,PUF的氧指数先增大,当掺量为20%时最大;但随硅藻土的继续掺入,氧指数反而下降。因为硅藻土是一种无机材料,其加入会相应提高PUF的阻燃性能,但由于硅藻土掺量并不是很多,硅藻土也不是阻燃材料,氧指数的增加量也不明显。

3 结论

(1)在水发泡硬质聚氨酯泡沫中,当硅藻土掺量为15%时,PUF的保温性能与压缩强度均较好,相较于未掺硅藻土的试样,导热系数下降约8.0%,压缩强度提高约10.0%;硅藻土掺量为5%时,冲击强度较未掺硅藻土的试样提高4.3%。

(2)硅藻土可有效改善硬质聚氨酯泡沫的泡孔结构,掺入一定量的硅藻土会使PUF的泡孔变得更加的致密,但过多则会破坏泡孔结构,但并不影响PUF的表观密度。

(3)掺入适量的硅藻土可改善硬质聚氨酯泡沫的尺寸稳定性,并提升PUF的阻燃性能。

猜你喜欢
泡孔氧指数硅藻土
密闭型腔中泡沫铝发泡行为
玻璃纤维增强PBT微发泡工艺对其制品泡孔结构的影响
植物纤维多孔材料泡孔分布影响因素
硅藻土/秸秆复合材料对亚甲基蓝吸附性能研究
工艺参数与注塑微发泡制品泡孔形态的关系
燃烧筒温度对塑料氧指数的影响
阻燃剂对低烟无卤聚烯烃电缆料性能的影响
塑料、橡胶氧指数试验方法的比较
柔性橡塑保温板材燃烧性能快速测试的影响因素*
在城市污水处理厂A2O 系统中硅藻土对除磷的影响