酚醛‑聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法與流程
2023-05-10 19:14:11
本發明涉及保溫材料，尤其涉及一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法。
背景技術：
隨著能源日益緊缺和環保壓力的不斷增大，世界各國都開始力推開發可再生能源，其中太陽能為利用和開發最廣、發展前景最好的可再生能源，現已廣泛應用於各行各業，太陽能熱水器行業就是其中之一。我國蘊藏著豐富的太陽能資源，太陽能利用前景廣闊，目前已是世界上太陽能熱水器的第一使用國和生產國。
眾所周知，對太陽能熱水器來說，水箱保溫材料的選擇是至關重要的，目前能用作水箱的保溫材料主要有聚氨酯泡沫、酚醛泡沫、超細纖維等。聚氨酯泡沫是由異氰酸酯與聚醚組合物混合澆注至模具或水箱空腔內發泡製得，其中聚醚組合物含有聚醚多元醇、發泡劑、催化劑、固化劑、阻燃劑、穩定劑等，由於聚氨酯泡沫具有成型工藝簡單、導熱係數低等優勢，是水箱主要採用的保溫材料。酚醛樹脂具有良好的阻燃性和低煙霧性，在火中不燃燒，不熔化，也不會有滴落物，而且燃燒過程毒性氣體非常少，是國際上公認的建築行業中最有發展前途的一種新型保溫隔熱材料。
木質素結構中含有醇羥基，可以替代部分多元醇與異氰酸酯進行反應製備聚氨酯硬泡，但由於羥基含量較低，導致其活性較低，限制了其應用；另外，在製備聚氨酯泡沫的過程中，木質素常以大分子顆粒形式分散在多元醇當中，導致反應性能的下降以及泡孔的不均勻，於是要想在聚氨酯中大量使用木質素，就必須解決好木質素的溶解問題。
聚氨酯是一種可燃性較強的聚合物，特別是泡沫塑料，密度小、比表面積較大、絕熱性好，但是燃燒問題阻礙聚氨酯材料發展；而酚醛泡沫塑料用於結構性材料中有著令人滿意的性能，如尺寸穩定性好、具有阻燃性、泡沫密度範圍寬等，但是它的酥脆性的特點，用作保溫隔熱材料並不理想，因此抑制了酚醛泡沫塑料的發展。
技術實現要素：
本發明的目的在於：針對上述存在的問題，提供一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法。本發明製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料，具有優良的抗壓強度，粉化率低；同時具有良好的保溫、阻燃效果。
本發明是通過以下技術方案實現的：
一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法，由以下步驟組成：
（1）在100份酚醛樹脂中加入5-10份表面活性劑、1-8份發泡劑及0.5-1份增韌劑，攪拌均勻形成組分A；
（2）稱取150份異氰酸酯，加入50-80份木質素聚醚多元醇及1-5份二乙醇單異丙醇胺攪拌均勻，在50-70℃，反應0.5-1h，形成端異氰酸基彈性預聚體，得到組分B；
（3）在模具中將組分A和組分B混合，並加入10-15份的無機助劑，攪拌均勻後於室溫下進行發泡，製得酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料。
進一步地，在步驟（1），所述表面活性劑為吐溫-60或吐溫-80。
進一步地，在步驟（1），所述發泡劑為石油醚、水或乙醇。
進一步地，在步驟（1），所述增韌劑為聚乙二醇或甘油。
進一步地，在步驟（2），所述木質素聚醚多元醇的官能度為4.2-4.5，其羥值為300-350mgKOH/g，其按照以下重量份數的原料和方法製成：
（1）稱取100份木質素，40-50份水，2-6份木質素過氧化物酶，0.5-2份過氧化氫酶，1-10份呋喃乙醛及3-10份糠醇於反應器中，反應溫度為80℃，攪拌反應5h，得到酶解改性木質素；
（2）將100份酶解改性木質素、300-350份丙三醇、150-250份二甘醇及0.01-0.05份Pd-Fe催化劑混合於反應器中，控制反應溫度為120℃，由反應器底部通氮氣鼓泡反應，然後抽真空，添加2-10份環氧丙烷，常壓密閉反應2h，得到所述木質素聚醚多元醇。
進一步地，在步驟（3），所述無機助劑由高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉組成，所述高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的質量比為：1:1-5:1-3。
更進一步地，所述無機助劑由高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的粒徑為20-30μm。
本發明採用木質素聚醚多元醇與異氰酸酯進行反應製備端異氰酸基彈性預聚體，增加保溫材料的強度。 在體系中，木質素的羥基可與異氰酸酯反應，得到木質素基聚氨酯。木質素是具有網狀結構的、含有苯環等剛硬基團的高分子化合物，在聚氨酯硬泡中可以增加泡沫的強度。故，相對於由普通聚醚多元醇製備的硬泡（聚醚多元醇在其中充當軟段），這種木質素基聚氨酯泡沫材料在拉伸強度、抗壓強度等方面表現更好。
綜上所述，由於採用了上述技術方案，本發明的有益效果是：
（1）本發明在保溫材料的製備中採用木質素聚醚多元醇，製得的木質素基硬泡材料與傳統方法所製備的泡沫材料相比，具有更優良的抗壓強度、拉伸強度和衝擊強度。
（2）本發明中的酚醛樹脂與端異氰酸基彈性預聚體複合發泡材料，將柔性的端異氰酸基彈性預聚體與酚醛樹脂同時發泡，使得泡沫中形成互穿網絡的結構，大大降低了酚醛泡沫的粉化率，使得剛性的酚醛泡沫具有柔性，與不含有聚氨酯的酚醛泡沫相比粉化率降低；同時添加本身不燃且具有良好的保溫效果的無機助劑，具有保溫、阻燃和降低成本的效果。
具體實施方式
本說明書中公開的所有特徵，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特徵和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
本說明書（包括任何附加權利要求、摘要）中公開的任一特徵，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特徵加以替換。即，除非特別敘述，每個特徵只是一系列等效或類似特徵中的一個例子而已。
實施例1
先製備木質素聚醚多元醇，過程如下：
（1）稱取100份木質素，40份水，2份木質素過氧化物酶，2份過氧化氫酶，1份呋喃乙醛及10份糠醇於反應器中，反應溫度為80℃，攪拌反應5h，得到酶解改性木質素；
（2）將100份酶解改性木質素、300份丙三醇、250份二甘醇及0.01份Pd-Fe催化劑混合於反應器中，控制反應溫度為120℃，由反應器底部通氮氣鼓泡反應，然後抽真空，添加8份環氧丙烷，常壓密閉反應2h，得到官能度為4.2，羥值為300mgKOH/g的所述木質素聚醚多元醇。
一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法，由以下步驟組成：
（1）在100份酚醛樹脂中加入5份吐溫-60、8份石油醚及0.5份聚乙二醇，攪拌均勻形成組分A；
（2）稱取150份異氰酸酯，加入50份木質素聚醚多元醇及5份二乙醇單異丙醇胺攪拌均勻，在50℃，反應1h，形成端異氰酸基彈性預聚體，得到組分B；
（3）在模具中將組分A和組分B混合，並加入5份高嶺土、5份膨潤土及5份氧化鋁粉，高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的粒徑為20μm，攪拌均勻後於室溫下進行發泡，製得酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料。
將製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料按照中國阻燃保溫材料國家標準GB/T10294-1988和GB8624-1997進行檢測，其導熱係數達到 0.030 W/m•K；氧指數達到46.5，粉化率達到3.0%，抗壓強度245Kpa，燃燒性能達到A級。
實施例2
先製備木質素聚醚多元醇，過程如下：
（1）稱取100份木質素，50份水，6份木質素過氧化物酶，0.5份過氧化氫酶，10份呋喃乙醛及3份糠醇於反應器中，反應溫度為80℃，攪拌反應5h，得到酶解改性木質素；
（2）將100份酶解改性木質素、350份丙三醇、150份二甘醇及0.05份Pd-Fe催化劑混合於反應器中，控制反應溫度為120℃，由反應器底部通氮氣鼓泡反應，然後抽真空，添加10份環氧丙烷，常壓密閉反應2h，得到官能度為4.5，羥值為350mgKOH/g的所述木質素聚醚多元醇。
一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法，由以下步驟組成：
（1）在100份酚醛樹脂中加入10份吐溫-80、1份水及1份甘油，攪拌均勻形成組分A；
（2）稱取150份異氰酸酯，加入80份木質素聚醚多元醇及1份二乙醇單異丙醇胺攪拌均勻，在70℃，反應0.5h，形成端異氰酸基彈性預聚體，得到組分B；
（3）在模具中將組分A和組分B混合，並加入2份高嶺土、10份膨潤土及3份氧化鋁粉，高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的粒徑為30μm，攪拌均勻後於室溫下進行發泡，製得酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料。
將製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料按照中國阻燃保溫材料國家標準GB/T10294-1988和GB8624-1997進行檢測，其導熱係數達到 0.024 W/m•K；氧指數達到46.5，粉化率達到3.0%，抗壓強度236Kpa，燃燒性能達到A級。
實施例3
先製備木質素聚醚多元醇，過程如下：
（1）稱取100份木質素，40份水，5份木質素過氧化物酶，1份過氧化氫酶，8份呋喃乙醛及6份糠醇於反應器中，反應溫度為80℃，攪拌反應5h，得到酶解改性木質素；
（2）將100份酶解改性木質素、325份丙三醇、200份二甘醇及0.03份Pd-Fe催化劑混合於反應器中，控制反應溫度為120℃，由反應器底部通氮氣鼓泡反應，然後抽真空，添加5份環氧丙烷，常壓密閉反應2h，得到官能度為4.2，羥值為300mgKOH/g的所述木質素聚醚多元醇。
一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法，由以下步驟組成：
（1）在100份酚醛樹脂中加入5份吐溫-60、8份乙醇及0.5份甘油，攪拌均勻形成組分A；
（2）稱取150份異氰酸酯，加入60份木質素聚醚多元醇及3份二乙醇單異丙醇胺攪拌均勻，在50℃，反應1h，形成端異氰酸基彈性預聚體，得到組分B；
（3）在模具中將組分A和組分B混合，並加入1.5份高嶺土、5份膨潤土及3.5份氧化鋁粉，高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的粒徑為20μm，攪拌均勻後於室溫下進行發泡，製得酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料。
將製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料按照中國阻燃保溫材料國家標準GB/T10294-1988和GB8624-1997進行檢測，其導熱係數達到 0.021 W/m•K；氧指數達到40.5，粉化率達到2.8%，抗壓強度251Kpa，燃燒性能達到A級。
實施例4
先製備木質素聚醚多元醇，過程如下：
（1）稱取100份木質素，40份水，2份木質素過氧化物酶，2份過氧化氫酶，1份呋喃乙醛及10份糠醇於反應器中，反應溫度為80℃，攪拌反應5h，得到酶解改性木質素；
（2）將100份酶解改性木質素、300份丙三醇、250份二甘醇及0.01份Pd-Fe催化劑混合於反應器中，控制反應溫度為120℃，由反應器底部通氮氣鼓泡反應，然後抽真空，添加8份環氧丙烷，常壓密閉反應2h，得到官能度為4.2，羥值為300mgKOH/g的所述木質素聚醚多元醇。
一種酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的製備方法，由以下步驟組成：
（1）在100份酚醛樹脂中加入5份吐溫-60、8份乙醇及0.5份甘油，攪拌均勻形成組分A；
（2）稱取150份異氰酸酯，加入60份木質素聚醚多元醇及3份二乙醇單異丙醇胺攪拌均勻，在50℃，反應1h，形成端異氰酸基彈性預聚體，得到組分B；
（3）在模具中將組分A和組分B混合，並加入1.5份高嶺土、5份膨潤土及3.5份氧化鋁粉，高嶺土、膨潤土及氧化鋁粉的粒徑為20μm，攪拌均勻後於室溫下進行發泡，製得酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料。
將製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料按照中國阻燃保溫材料國家標準GB/T10294-1988和GB8624-1997進行檢測，其導熱係數達到 0.036 W/m•K；氧指數達到47.2，粉化率達到3.4%，抗壓強度236Kpa，燃燒性能達到A級。
綜上所述，本發明以上實施例製備得到的酚醛-聚氨酯泡沫保溫材料的粉化率均低於3.5%，而現有技術中不含有聚氨酯的酚醛泡沫的粉化率為7.5%左右；同時本發明得到的保溫材料導熱係數、抗氧指數及抗壓強度等性能良好，是一種性能優異的保溫材料。
本發明並不局限於前述的具體實施方式。本發明擴展到任何在本說明書中披露的新特徵或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。