本发明涉及材料技术领域，具体涉及一种气凝胶发泡材料及其制备方法和应用。
背景技术：
传统的发泡材料导热系数在0.030W/(m·K)上下，作为保温性能良好的材料得到广泛应用。但是发泡材料虽然轻便但是作为保温材料时有体积过大的弊端。气凝胶复合材料轻便保温，气凝胶粉末则是复合材料的基本原料；植物秸秆的大面积燃烧容易对大气造成污染，秸秆粉末和秸秆纤维是很好的材料填充料，如何将上述材料的优异性能结合，完美利用，是材料发展的一个方向。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种气凝胶发泡材料及其制备方法和应用，有效提高发泡材料保温性能，降低发泡材料应用体积，同时利用秸秆纤维作为填充料，实现秸秆纤维高价值利用，本发明所述的发泡材料工艺简单，成品应用范围广。
本发明的技术方案如下：一种气凝胶发泡材料，其特征在于，由以下原料制备而成：A组分填料28-30％、异氰酸酯33-35％、植物秸秆粉末26-28％、植物秸秆纤维3-7％和气凝胶粉末2-8％，所述百分比为各组分在发泡材料中的重量百分比；
所述A组份填料为：环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇70-90％、甘油-环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇5-35％、泡沫稳定剂0.5-10％、催化剂0.1-10％、发泡剂0.2-10％、交联剂0.5-10％，所述百分比为各原料在A组份填料中的重量百分。
所述环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇的相对分子量为1000-1500；所述甘油-环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇的相对分子量为3000-6000。
所述异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯(HDI)、脂环族二异氰酸酯(IPDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、多亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI)中的一种。
所述气凝胶粉末的直径小于或等于3微米。
一种制备气凝胶发泡材料的方法，其特征在于，将所述A组分填料28-30％、异氰酸酯33-35％、植物秸秆粉末26-28％、植物秸秆纤维3-7％和气凝胶粉末2-8％混匀得到发泡材料，将所述发泡料注入模具中，在30-120℃下保温10-30分钟，压制成型脱模后形成气凝胶发泡材料。
所述混匀方式为手工搅拌、机械搅拌、机械设备喷射混合或气流冲击混合。
所述异氰酸酯为二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
所述制备方法为模具制备方法。
本发明的有益效果：本发明提供一种气凝胶发泡材料及其制备方法和应用，有效提高发泡材料保温性能，降低发泡材料应用体积，在需保温的单位面积上，对比传统的发泡材料，本发明所述的气凝胶发泡材料能以明显的轻薄优势达到同样的保温性能，同时利用植物秸秆作为填充料，实现秸秆高价值利用，本发明所述的发泡材料工艺简单，成品应用范围广。
具体实施方式
本发明提供一种气凝胶发泡材料及其制备方法和应用，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。
气凝胶是一种非常多孔材料，在已知的固体中其孔隙率最高。本发明所述的气凝胶粉末为具有代表性的二氧化硅气凝胶，所述气凝胶粉末具有多孔结构，气凝胶粉末的内部空间大部分是空的，使气凝胶粉末表现出一些引人注意的特性，例如，超级隔热、轻质、吸声性、介电常数低及类似性能。气凝胶粉末最大的优点是超级隔热，与传统的发泡材料及其类似物相比，气凝胶显示出小于0.300W/m·K的较低导热率。据报道，二氧化硅气凝胶的导热率比许多技术参考资料中的产物的导热率要小，气凝胶的超级隔热起因于极少量(重量百分比为2～5％)的固体(二氧化硅)及具有介观尺寸的孔的多孔结构构造对导热率的影响，介观尺寸的孔可防止空气对流热传递。因为空气中的气体分子的平均自由行程是65nm，但气凝胶的平均孔隙大小是比平均自由行程要小的介观尺寸，因此防止了气体分子的热传递。
秸秆作为一种新能源，其纤维已经试验验证具有极强的抗拉伸变形的能力，用于复合材料中能增强材料的柔韧性。
泡沫稳定剂能够降低聚氨酯原料混合物的表面张力，在泡沫升起至熟化期间，通过表面张力防止泡沫的热力学非稳态出现，本发明的泡沫稳定剂采用硅酮类表面活性剂效果最佳，其能够起到较好的泡沫稳定效果，本发明所述泡沫稳定剂为硅酮类表面活性剂，所述催化剂为叔胺类催化剂或烷基金属化合物，所述发泡剂为戊烷类发泡剂、氢氟烃类发泡剂或氢氯氟烃类发泡剂，所述交联剂为乙二醇、丙二醇、1，4-丁二醇、一缩二乙二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、分子量200-600的芳香胺醚低聚物和分子量150-400的胺醚齐聚物的一种或多种。本发明的泡沫稳定剂优选美思德公司牌号为8539A泡沫稳定剂。
催化剂能调节诸多竞争反应历程和平衡，促进设计的主反应的反应速度，减缓或抑制副反应的发生和进行，获得最佳分子结构的设计材料，本发明催化剂选取叔胺类催化剂或烷基金属化合物，具体，本发明催化剂优选催化效果最好的三亚乙基二胺(A33)。
发泡剂是指一类能使处于一定粘度范围内的液体或塑性状态的橡胶、塑料处于微孔结构的物质。分为物理发泡剂和化学发泡剂，物理发泡剂是利用其在一定温度范围内物理状态的变化而产生气体，化学发泡剂是在发泡过程中因化学变化而产生一种或多种气体，从而使聚氧化丙烯多元醇发泡。本发明的发泡剂优选为低沸点的氢氯氟烃类物理发泡剂141B
交联剂是指能促使分子链延伸、扩展的化合物。包括能使分子链进行扩展的双官能基的低分子化合物，也包括能使链状分子结构产生支化和交联的官能度大于2的低分子化合物。本发明使用的交联剂是分子量较小的多元醇、多元胺类的低分子量化合物，为乙二醇、丙二醇、1，4-丁二醇、一缩二乙二醇、丙三醇、三羟甲基丙烷、分子量200-600的芳香胺醚低聚物或分子量150-400的胺醚齐聚物的一种或多种。其中优选丙三醇。
本发明中异氰酸酯的用量按异氰酸酯指数为0.9-1.5使用。异氰酸酯化合物为分子结构中含－N＝C＝O基团结构的化合物，其结构通式为R-(NCO)n，R为烷基、芳基、脂环基等，n＝1、2、3…整数。本发明使用的异氰酸酯为脂肪族二异氰酸酯(HDI)、脂环族二异氰酸酯(IPDI)、甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)、多亚甲基多苯基异氰酸酯(PAPI)或上述物质的改性物中的一种。其中优选烟台万华牌号为PM200产品。
本发明中的植物秸秆粉末经脱水干燥，粒度为40-250目。
本发明所述的秸秆纤维是指经一定的加工(牵引、拉伸、定型等)后形成长度比直径大数千倍以上且具有一定柔韧性和强力的纤细物质。本发明秸秆纤维材料的经度为10μm，短切长度为1-10mm。
本发明中的粉体材料、纤维类材料可以进行表面处理，具体是指进行热处理、酸碱刻蚀处理、偶联剂处理、等离子体表面处理、稀土元素处理。
热处理是利用高温(200-800℃)条件下处理一定的时间(1-3600s)，使材料表面的原有胶质层氧化分解，同时除去纤维表面的吸附水或润滑油。
酸碱刻蚀处理是通过酸、碱溶液浸泡，在材料表面进行化学反应形成一些凹陷或微孔。
偶联剂处理是指采用偶联剂对材料进行表面处理，使树脂与材料表面形成化学键，从而获得有效的界面粘结，偶联剂是一类具有两不同性质官能团的物质，其分子结构的最大特点是分子中含有化学性质不同的两个基团，一个是亲无机物的基团，易与无机物表面起化学反应；另一个是亲有机物的基团，能与合成树脂或其它聚合物发生化学反应或生成氢键溶于其中。主要有：铬络合物偶联剂由不饱和有机酸与三价铬离子形成的配价型金属铬络合物。硅烷偶联剂的通式为RSiX3，式中R代表氨基、巯基、乙烯基、环氧基、氰基及甲基丙烯酰氧基等基团，这些基团和不同的基体树脂均具有较强的反应能力，X代表能够水解的烷氧基(如甲氧基、乙氧基等)。钛酸酯偶联剂用通式：RO-Ti-(O-X-R-Y)，其中RO-是可水解的短链烷氧基；X-是能够键合到聚合物基体的反应性基团，包括羧基、烷氧基、硫酰氧基、磷氧基、亚磷酰氧、焦磷酰氧基等，R-为钛酸酯中长碳链部分，Y-是钛酸酯可与树脂进行交联的官能团，有不饱和双键、氨基、羟基等。铝酸酯偶联剂的结构式为：[Al(OR)3]n，R为烷基或烯丙基。
等离子体处理是指利用非聚合性气体对材料表面进行物理和化学作用的过程。等离子体是指具有足够数量而电荷数近似相等的正负带电粒子的物质聚集态，等离子体处理可改善材料的可浸润性和表面粗糙度。
稀土元素处理是指稀土元素通过化学键合与物理吸附被吸附到材料表面并在靠近材料表面产生畸变区，吸附在纤维表面上的稀土元素改善了材料与基体的界面结合力。
本发明所用的纤维类材料使用偶联剂进行表面处理过。
本发明使用模塑制备方法，本发明的模具在使用前应在模腔内刷涂脱模剂，具体的是使脱模剂以喷涂、涂刷的方式覆盖在在模具内壁中，待其中的溶剂挥发后，即形成均匀的隔离膜层，使得制品与模具较好脱离。本发明实施例中使用上海肯天公司牌号11117脱模剂，用石油醚稀释15-20倍。
本发明的模具要在设定的温度下预热，保证模具的温度处于设定的温度条件下，模具中设定温度为30-120℃，其中最佳温度为80℃。
本发明所使用气凝胶粉末能提高板材的保温隔热性能，植物秸秆粉末能提高发泡材料的柔韧性，使其具有很好的形变能力，秸秆纤维类材料能保证产品的尺寸稳定性。气凝胶粉末和植物秸秆粉末及纤维的混合运用，使得发泡材料保温性能好，弯折程度高，形态稳定，能在隔热保温领域更好地发挥作用。
实施例1
一种制备气凝胶发泡材料的方法
1)将按重量比环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇70％、甘油-环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇25％、泡沫稳定剂1％、催化剂1％、发泡剂1％、交联剂2％，混合搅拌得到A组份；
2)再将按重量比A组分填料30％、异氰酸酯35％、植物秸秆粉末28％、植物秸秆纤维5％和气凝胶粉末2％混匀得到发泡材料，将所述发泡料注入模具中，在60℃下保温20分钟，压制成型脱模后形成气凝胶发泡材料。
对所得气凝胶发泡材料利用稳态法进行导热率测试，制品的尺寸稳定性由翘曲度表征，柔韧性用弯折弧度表表征。
稳态法就是当待测试样上温度分布达到稳定后，通过测量试样内的温度分布和穿过试样的热流来测出导热系数。最简单的就是将固体试样制成一块厚度均匀的平板，放在一个绝热的装置里，从试样一侧加热，在另一侧散热，试样四周严格绝热保温。用一个补偿加热器维持装置内的温度稳定。试样应该较大，以便能适用一维导热假设(其它实施例也采取上述测量方法)。
本发明所述发泡板材翘曲度的测量：将成品放在平整的大理石台面上，用塞规测量翘曲的高度，以测量最大值为结果(其它实施例也采取上述测量方法)。
本发明所述的柔韧性弯折弧度表征，是指固定长度和厚度的材料握住两端进行弯折，在断裂前板材形成的弧度，弧度越大柔韧性越好(其它实施例也采取上述测量方法)。
实施例1中的发泡板材样品厚度为12㎜，长度100㎜，翘曲度为0mm，3个月后测量翘曲度为0mm，6个月后样品翘曲度为0mm。测试结果表明所获得的产品在自然条件下长期储存，表现出尺寸稳定性较好、无翘曲现象的优异性能；样品的热导率为0.028W/(m·K)，弯折弧度为280°，表现出优异的隔热保温性能和柔韧性。
实施例2
一种制备气凝胶发泡材料的方法
1)将按重量比环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇90％、甘油-环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇5％、泡沫稳定剂1％、催化剂1％、发泡剂1％、交联剂2％，混合搅拌得到A组份；
2)再将按重量比A组分填料28％、异氰酸酯33％、植物秸秆粉末28％、植物秸秆纤维5％和气凝胶粉末6％混匀得到发泡材料，将所述发泡料注入模具中，在80℃下保温15分钟，压制成型脱模后形成气凝胶发泡材料。
实施例2中的发泡板材样品厚度为12㎜，长度100㎜，翘曲度为0mm，3个月后测量翘曲度为0mm，6个月后样品翘曲度为0mm。测试结果表明所获得的产品在自然条件下长期储存，表现出尺寸稳定性较好、无翘曲现象的优异性能；样品的热导率为0.026W/(m·K)，弯折弧度为280°，表现出优异的隔热保温性能和柔韧性。
实施例3
一种制备气凝胶发泡材料的方法
1)将按重量比环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇80％、甘油-环氧丙烷-环氧乙烷共聚醚三醇10％、泡沫稳定剂2％、催化剂2％、发泡剂2％、交联剂4％，混合搅拌得到A组份；
2)再将按重量比A组分填料30％、异氰酸酯33％、植物秸秆粉末26％、植物秸秆纤维3％和气凝胶粉末8％混匀得到发泡材料，将所述发泡料注入模具中，在120℃下保温10分钟，压制成型脱模后形成气凝胶发泡材料。
实施例3中的发泡板材样品厚度为12㎜，长度100㎜，翘曲度为0mm，3个月后测量翘曲度为0mm，6个月后样品翘曲度为0mm。测试结果表明所获得的产品在自然条件下长期储存，表现出尺寸稳定性较好、无翘曲现象的优异性能；样品的热导率为0.022W/(m·K)，弯折弧度为275°，表现出优异的隔热保温性能和柔韧性。
由上述实施例可以看出，本发明所述的气凝胶发泡材料尺寸稳定性好，柔韧性好，隔热和保温性能好，可应用于睡袋、野外地垫(防潮、保温)、帐篷、保温杯、保温鞋垫、保温鞋、护膝、防寒服装、保温箱等产品。
本发明提供一种气凝胶发泡材料及其制备方法和应用，能有效提高发泡材料保温性能，同时利用植物秸秆作为填充料，实现秸秆高价值利用，提高产品的柔韧性，本发明所述的发泡材料工艺简单，成品应用范围广。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。