一种凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板及其制作方法与流程

本发明涉及建材领域，具体涉及一种凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板及其制作方法。

背景技术：

在建筑的外围护结构屮，墙壁占建筑物表而积比重最大，因而墙体的热损耗也较人，因此墙体保温技术及节能材料则成为建筑节能的主要实现方式。利用新技术对建筑围护结构进行高水平的保温隔热，是建筑节能的主要措施，可以有效减少冬夏两季室内外温差造成的大量的能源损失，有效解决降低建筑高能耗的现状，降低温室效应。

我国关于建筑保温节能的起步较晚，经过近二三十年的研究和实践，在借鉴国外技术的基础上，建筑外墙保温技术有了很大的进步和提高：一方面外墙节能新技术在持续研究开发；另一方面外墙保温材料的引进和研发都促使外墙节能上升到新的高度。但是，在墙体保温方面，仍然存在如下不足：(1)保温材料的保温性能较低，如无机保温材料的热导率普遍在0.05w/(mk)以上，有机保温材料如聚苯板，酚醛树脂板的保温系数也一般＞0.04w/(mk)，如此高的导热系数要求保温材料做的比较厚，这会增加保温材料的用量和建筑物的负载；(2)有机保温材料的热导率相比无机保温材料较低，但是在阻燃性能方面普遍较差；(3)保温层与装饰层之间容易脱落，影响使用寿命和安全性。

在众多的保温材料中，聚氨酯保温材料是保温性能较好的材料之一，热导率可以达到0.03w/(mk)以下，但是阻燃性能较差，很难达到b1或a级阻燃。目前市场上还没有阻燃等级在b1或a级以上，且热导率在0.023w/(mk)以下的聚氨酯保温材料，这主要是受制于现有材料的结构及发泡工艺导致的。如达到较好的阻燃等级，仅仅靠加阻燃剂是很难实现，需要对聚氨酯材料本身的结构进行阻燃调控，如需要降低热导率，则需要借鉴气凝胶的结构和原理，并且尽量使得泡孔均匀。然而，目前这一问题成了制约行业发展的瓶颈，也限制了聚氨酯保温材料在建筑上的应用。如能突破这一问题，并增加一定的装饰效果，那么在保温市场的应用前景巨大。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板及其制作方法。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板，包括基础保温层和基础保温层表面涂覆的装饰层，其中基础保温层包括网格状安装件、聚合物保护袋、凝胶聚氨酯保温板及水泥纸；其中聚合物保护袋内部中空，用来容纳凝胶聚氨酯保温板的制作材料，网格状安装件固定在聚合物保护袋上方，水泥纸固定在聚合物保护袋底面和四周，在聚合物保护袋内部凝胶聚氨酯保温板的制作材料发泡形成凝胶聚氨酯保温板过程中，凝胶聚氨酯将网格状安装件、聚合物保护袋、水泥纸一起原位粘合成型；所述凝胶聚氨酯保温板的制作材料包括a料和b料：其中a料具有式ⅰ或ⅱ所示的结构；b料成分包括式ⅲ所示的材料，并添加催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂，式ⅲ所示的材料是通过多元醇yh与相应的氧化烯衍生物通过聚合反应得到，例如当r3＝h时，对应氧化乙烯，r3＝ch3时，对应氧化丙烯；

其中，取代基d为h原子或如下式所示的三烷氧基硅:

r1为碳原子数≤6的烷基；

e为h或如下式所示的磷酸酯:

r2为碳原子数≤2的烷基,n3＝1-10000，r3为h原子或碳原子数≤6的烷基，m＝2-8，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自二元醇、三元醇、四元醇、五元醇、六元醇、七元醇、八元醇的任何一种，例如yh为六元醇时，m＝6、yh为八元醇时，m＝8。

式ⅰ主体结构为类喜树碱的结构，具有如下优势：

1)构成要素基本是苯环及杂环的环状结构，有一定的刚性，可以提高聚氨酯板的强度，这对建筑上应用十分重要，可以提高材料的抗冲击强度。

2)其可以在石油及天然植物喜树种提炼得到，来源很广泛，具有经济优势。

3)在异氰酸根的间位分别有一个n原子和o原子，这两种原子有一定的拉电子作用，可以提升异氰酸根的反应活性；

4)主体结构中存在的酰胺基团可以提升与发泡聚氨酯材料的相容性，因为发泡聚合反应会生产大量的酰胺基团，根据相似相容原理，材料的相容性和稳定性会进一步提升，抑制结晶或玻璃化转化的发生。

在类喜树结构上引入异氰酸基团是为了和b料中的式ⅲ的材料的羟基发生聚合反应得到-nh-coo-基团，这是聚氨酯聚合的一般反应。然后功能化的引入磷酸酯侧链和烷氧基硅的侧链，r1为碳原子数≤6的烷基，r2为碳原子数≤2的烷基。引入的磷酸酯基可以提升聚氨酯材料的阻燃性能，这是因为磷酸酯基团十分稳定，不易燃。但是，对于磷酸酯基团上的r2基团，要严格控制碳原子的数量，不能超过3个，否则，阻燃性会下降。引入三烷氧基硅基团有三个作用：1)是为了进一步提升聚氨酯的保温性能，这是因为式ⅰ中的三烷氧基硅基团在发泡的高温环境中，会和b料中的式ⅲ分子上的三烷氧基硅基团进行缩合，形成类似气凝胶的-o-si-o-结构，这一结构具有良好的绝热性能，得到类似气凝胶的高保温性能；2)同时-o-si-o-基团可以促进聚氨酯泡孔更加均匀，这也会进一步增加保温性能，降低导热系数，也正是基于此，本发明的保温板才命名为凝胶聚氨酯保温板。通过对比试验，含有三烷氧基硅基团的聚氨酯保温材料(热导率≤0.019w/(mk))，比没有三烷氧基硅基团的聚氨酯保温材料(热导率为0.022-0.03w/(mk))热导率可降低10-30％；3)引入三烷氧基硅基团形成的-o-si-o-基团有助于提升聚氨酯板的阻燃性，这是因为-o-si-o-基团是氧饱和结构，非常稳定，不会和氧再继续发生燃烧反应。

同样的，a料式ⅱ所示的结构引入异氰酸，可以和b料中式ⅲ所示的材料的羟基聚合，实现聚合反应得到-nh-coo-基团，这是聚氨酯聚合的一般反应。引入的e磷酸酯基可以提升聚氨酯材料的阻燃性能，这是因为这些基团都具有十分稳定的性能，不易燃。但是，对于磷酸酯基团上的r2基团，要严格控制碳原子的数量，不能超过3个，否则，阻燃性会下降。引入三烷氧基硅基团有三个作用：1)是为了进一步提升聚氨酯的保温性能，这是因为a料中式ⅱ中的三烷氧基硅基团在发泡的高温环境中，会和b料中的式ⅲ所示的三烷氧基硅基团进行缩合，形成类似气凝胶的-o-si-o-结构，这一结构具有良好的绝热性能，得到类似气凝胶的高保温性能；2)同时-o-si-o-基团可以促进聚氨酯泡孔更加均匀，这也会进一步增加保温性能，降低导热系数，也正是基于此，本发明的保温板才命名为凝胶聚氨酯保温板。通过对比试验，含有三烷氧基硅基团的聚氨酯保温材料(热导率小于0.02w/(mk))，比没有三烷氧基硅基团的聚氨酯保温材料(热导率为0.022-0.03w/(mk))热导率可降低10-30％；3)引入三烷氧基硅基团形成的-o-si-o-基团有助于提升聚氨酯板的阻燃性，这是因为-o-si-o-基团是氧饱和结构，非常稳定，不会和氧再继续发生燃烧反应。当d和e分别是h原子时，仍能发生聚合反应，得到性能优异的聚氨酯多孔材料，同时，由于匀泡剂的存在，得到的泡孔非常均匀，热导率比较理想。

b料中的催化剂可以采用聚氨酯发泡行业常用的三乙醇胺、三乙胺、辛酸亚锡等。发泡剂采用水和环戊烷。尽管氟利昂也能得到良好的发泡效果，但是由于环境不友好，不采用。泡沫稳定剂采用聚硅氧烷或吐温。

为了进一步提升阻燃效果，可以适当加入阻燃剂，如tcpp、tcep等。开孔剂优选ortego150。

为了进一步提高聚氨酯泡的均匀性，在b料中加入二氧化硅匀孔剂，二氧化硅匀孔剂可以是二氧化硅纳米颗粒，颗粒≤100nm，也可以是二氧化硅气凝胶，匀孔剂在b料中的含量为0.01wt％-5wt％。

a料和b料经过均匀混合后，会发生聚合，b料中的羟基和a料中的异氰酸基团反应聚合得到-nh-coo-基团，这是聚氨酯聚合的反应。

当a料中式ⅰ或ⅱ所示的结构中d＝h，b料中的d为三烷氧基硅时，在发泡聚合过程中，b料中的三烷氧基硅可以自聚合，形成类似气凝胶的-o-si-o-结构，仍然可以有效提升聚氨酯的阻燃性和保温性能，此时a料e可以为h，也可以为磷酸酯，如为磷酸酯阻燃性能会进一步提升。同理，当a料中式ⅰ或ⅱ所示的结构中d为三烷氧基硅，b料中的d为h时，可以得到相同的结果，此时a料e可以为h，也可以为磷酸酯，如为磷酸酯阻燃性能会进一步提升。当a料中式ⅰ或ⅱ所示的结构中d＝h，e＝h,，b料中d＝h时，仍能发生聚合反应，得到性能优异的聚氨酯多孔材料，同时，由于匀泡剂的存在，得到的泡孔非常均匀，热导率比较理想。

所述装饰层包括氟碳装饰层、陶晶石装饰层、彩钢板装饰层、彩色铝板装饰层、离子镀不锈钢装饰层、离子镀铝装饰层、瓷砖装饰层、塑料板装饰层、铝塑板装饰层。

所述的陶晶石是着色的硅酸盐陶瓷或着色的石英颗粒，这种材料由于是无机色粉高温着色，整个体系都是全无机的体系，不会存在黄变褪色等有机涂料存在的问题，也不会出现腐蚀、脱落等装饰板材常见的问题。

网格状安装件是采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯材料中的任一种制作的塑料管组合成网格，交叉部位用胶水粘接，在建筑上进行安装时，将金属挂件插入塑料管中，然后将金属挂件用膨胀螺丝固定在墙上。

聚合物保护袋用来包覆凝胶聚氨酯保温板，所用的材料可以是无纺布、塑料网、金属网、玻纤网中的任何一种。采用聚合物材料对凝胶聚氨酯进行包覆可以提升一体板的强度，并防止脆裂。

所述的凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板的制作方法包括以下步骤：

1)将水泥纸贴在发泡模具的底面和四周；

2)聚合物保护袋置于水泥纸上，中空，留出发泡空间；

3)网格状安装件固定在聚合物保护袋的上方，靠近发泡模具的上面；

4)将a料和b料混合均匀，打入发泡模具中的聚合物保护袋的中空位置；

5)合上模具，发泡；

6)发泡结束，打开模具，取出基础保温层；

7)将装饰层固定在基础保温层上，晾干或烘干。

所述的凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板制作方法也可以经过如下步骤：(1)将水泥纸贴在发泡模具的底面和四周；(2)聚合物保护袋置于水泥纸上，中空，留出发泡空间；(3)网格状安装件固定在聚合物保护袋的上方，靠近发泡模具的上面；(4)将装饰层固定在安装件上方；(5)将a料和b料混合均匀，打入发泡模具中的聚合物保护袋的中空位置；(6)合上模具，发泡；(6)发泡结束，打开模具，取出凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板。

如采用氟碳装饰层和陶晶石装饰层，由于这两种材料本身没有刚性，需要附着一定的载体上才可以，附着的载体可以是玻镁板、硅钙板、塑料板、金属板等。

本发明的有益效果如下：

本发明通过在凝胶聚氨酯保温板的制作材料中分子结构的设计，引入三烷氧基硅基团、磷酸酯基等功能性基团对聚氨酯材料本身的结构进行调控，提高凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板材料的抗冲击强度、保温绝热性和阻燃性，而且满足了对外墙的功能性装饰要求。

附图说明：

图1是实施例1凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板的结构示意图；

其中，11、装饰层，12、网格状安装件，13、聚合物保护袋，14、凝胶聚氨酯保温板，15、水泥纸。

图2是图1中网格状安装件的结构示意图。

图3是实施例1凝胶聚氨酯的切面扫描电镜。

具体实施方式：

以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。

实施例1：凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板

如图1所示的凝胶聚氨酯复合保温装饰一体板，包括基础保温层和基础保温层表面的装饰层11，其中基础保温层包括网格状安装件12、聚合物保护袋13、凝胶聚氨酯保温板14及水泥纸15；其中聚合物保护袋13内部中空，用来容纳凝胶聚氨酯保温板的制作材料，网格状安装件12固定在聚合物保护袋13上方，水泥纸15固定在聚合物保护袋底面和四周，在聚合物保护袋内部凝胶聚氨酯保温板的制作材料发泡形成凝胶聚氨酯保温板过程中，凝胶聚氨酯将网格状安装件12、聚合物保护袋13、水泥纸15一起原位粘合成型。装饰层为铝塑板。所述凝胶聚氨酯保温板的制作材料包括a料和b料：其中a料具有式ⅰ所示的结构；b料成分包括式ⅲ所示的材料，并添加催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂、阻燃剂、开孔剂、匀孔剂：式ⅲ所示的材料是多元醇yh与相应的氧化烯衍生物通过聚合反应得到，

其中，a料中式ⅰ所示的结构中取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于3的烷基；e为磷酸酯:r2为碳原子数等于2的烷基，b料式ⅲ所示的结构中取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于3的烷基；n3＝5000，m＝2，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自乙二醇，r3为碳原子数等于1的甲基。

b料中的催化剂为三乙醇胺，含量1wt％。发泡剂采用水和环戊烷，含量分别是2wt％和4wt％。泡沫稳定剂采用吐温，含量2wt％。阻燃剂采用tcpp，含量3wt％。开孔剂ortego150，含量1wt％。匀孔剂为纳米二氧化硅，颗粒大小为5nm，匀孔剂在b料中的含量为0.01wt％。

本实施例中，凝胶聚氨酯复合保温一体板的制作方法经过如下步骤：(1)将水泥纸贴裁剪成合适尺寸，然后放在发泡模具的底面和四周；(2)聚合物保护袋置于水泥纸上，聚合物保护袋的材质可选择无纺布、塑料网、金属网、玻纤网的任何一种，袋子中空，留出聚氨酯发泡空间；(3)网格状安装件固定在聚合物保护袋的上方，靠近发泡模具的上面，网格状安装件的材质可以是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯的任何一种，用这些材料制备的管材组合成网格，交叉部位用胶水粘接，管材可以是方管，也可以是圆管；(4)将制备凝胶聚氨酯保温板的发泡料a料和b料混合均匀，打入发泡模具中的聚合物保护袋的中空位置；(5)合上模具，发泡开始进行，a料和b料开始反应，在反应的过程中，发泡料会部分渗透通过聚合物保护袋，将水泥纸和网格状安装件原位固定；(6)发泡结束，发泡时间约20分钟，打开模具，取出基础保温层；(7)在基础保温层上铝塑板，然后晾干。

经检测，所制备板材的热导率为0.018w/(mk)，远远优于目前市面上常见保温材料的热导率(一般＞0.025-0.030w/(mk))，阻燃等级检测为a1级，目前市面上的聚氨酯保温板一般为b2级，少数可以做到b1级。在发泡密度为30kg/m³的条件下，抗冲击强度可达到15j，如用市面上普通a料进行发泡，在30kg/m³的条件下，抗冲击强度不可能达到10j。因此，通过分子结构的设计，达到降低热导率、提升阻燃性、提升抗冲压强度的效果。通过分子修饰，引入三烷氧基硅基团，并添加匀孔剂后，通过电子显微镜可以发现，泡孔变得均匀(见图3)。

实施例2：

参考实施例1，不同之处在于,凝胶聚氨酯复合保温一体板的制作方法经过如下步骤：(1))将水泥纸贴在发泡模具的底面和四周；(2)聚合物保护袋置于水泥纸上，中空，留出发泡空间；(3)网格状安装件固定在聚合物保护袋的上方，靠近发泡模具的上面；(4)将铝塑板装饰层固定在安装件上方；(5)将a料和b料混合均匀，打入发泡模具中的聚合物保护袋的中空位置；(6)合上模具，发泡；(6)发泡结束，打开模具，取出一体板。

实施例3：

参考实施例1，不同之处在于装饰层为氟碳装饰层、陶晶石装饰层、彩钢板装饰层、彩色铝板装饰层、离子镀不锈钢装饰层、离子镀铝装饰层、瓷砖装饰层、塑料板装饰层，如换成这些装饰层，不影响制备方法，对凝胶聚氨酯的热导率等也没影响。

实施例4：

参考实施例1，不同之处在于a料中a料中式ⅰ所示的结构中取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于6的烷基；e为磷酸酯:r2为碳原子数等于1的烷基，b料式ⅲ所示的结构中取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于6的烷基；n3＝10000，m＝8，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自辛八醇，r3为h原子。b料中的催化剂为三乙醇胺，含量5wt％。发泡剂采用水和环戊烷，含量分别是4wt％和5wt％。泡沫稳定剂采用吐温，含量6wt％。阻燃剂采用tcpp，含量15wt％。开孔剂ortego150，含量5wt％。匀孔剂为二氧化硅纳米颗粒，颗粒大小为100nm，匀孔剂在b料中的含量5wt％。

经检测，所制备板材的热导率为0.018w/(mk)，远远优于目前市面上常见保温材料的热导率(一般＞0.025-0.030w/(mk))，阻燃等级检测为a级。在发泡密度为30kg/m³的条件下，抗冲击强度可达到13j。

实施例5：

参考实施例1，不同之处在于,a料式ⅰ所示的结构中取代基d为h，e为h,b料成分式ⅲ所示的材料中，取代基d为h；n3＝200，m＝2，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自乙二醇，r3为己基。经检测，所制备板材的热导率为0.019w/(mk)，远远优于目前市面上常见保温材料的热导率(一般＞0.025-0.030w/(mk))，阻燃等级检测为a级。在发泡密度为30kg/m³的条件下，抗冲击强度可达到14j。

实施例6：

参考实施例1，不同之处在于,a料具有式ⅱ所示的结构其中取代基d为h，e为h,b料成分式ⅲ所示的材料中，取代基d为h；n3＝200，m＝7，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自壬七醇，r3为h。b料中的催化剂为三乙醇胺，含量1wt％。发泡剂采用水和环戊烷，含量分别是2wt％和4wt％。泡沫稳定剂采用吐温，含量2wt％。阻燃剂采用tcpp，含量3wt％。开孔剂ortego150，含量1wt％。匀孔剂为二氧化硅纳米颗粒，颗粒大小为20nm，匀孔剂在b料中的含量0.01wt％。

经检测，所制备板材的热导率为0.019w/(mk)，远远优于目前市面上常见保温材料的热导率(一般＞0.025-0.030w/(mk))，阻燃等级检测为a级。在发泡密度为30kg/m³的条件下，抗冲击强度可达到13j。

实施例7：

参考实施例6，不同之处在于,a料具有式ⅱ所示的结构其中取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于6的烷基，e为r2为碳原子数等于1的甲基，b料成分式ⅲ所示的材料中，取代基d为三烷氧基硅:r1为碳原子数等于6的烷基；n3＝200，m＝7，m与yh的多元醇数对应一致，yh选自壬七醇，r3为h。

经检测，所制备板材的热导率为0.019w/(mk)，远远优于目前市面上常见保温材料的热导率(一般＞0.025-0.030w/(mk))，阻燃等级检测为a级。在发泡密度为30kg/m³的条件下，抗冲击强度可达到13j。