三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于高分子保温材料技术领域，具体涉及三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复 合保温材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 硬质聚氨酯泡沫是以闭口泡孔为主的聚氨酯泡沫塑料，具有非常低的导热系数、 低的相对密度、一定的硬度和强度，亦具有优良的隔声抗震效果、电学性质优良，易切割，还 具备一定的耐水性及耐腐蚀性，广泛应用于建筑、家具、汽车、造船、石油化工等行业，特别 由于其灵活的生产加工工艺、优异的保温特性及低生产成本令其成为目前主流的冰箱、冷 柜、地面管道、热水器水管水箱、水蒸气管道的隔热保温材料。同时，聚氨酯泡沫作为一种纯 有机保温材料也存在耐热性差，随使用温度及时间易老化，尺寸稳定性差，阻燃性能差的特 点，令硬质聚氨酯在暴露环境特别是高温环境中易变形、稳定性和安全性降低，进而在实际 使用中受到限制。复合材料是由两种或两种以上物理与化学性质不同之物质组合而成的一 种稳定的多相固体材料，通过无机娃酸盐纳米材料与有机聚合物复合而成的纳米复合材料 将令硬质聚氨酯获得增韧、阻燃、杀菌、高稳定性等方面本征聚合物不理想或不具有的一些 性能。
[0003] 层状硅酸盐矿物包括绿泥石、海泡石、膨润土、伊利石、蒙脱土等，其基本结构单元 为铝氧八面体利用共用的氧原子夹在两片硅氧四面体间形成的纳米级层状结构，通过改性 可以利于有机单体与聚合物插入片层之间形成稳定的纳米复合材料，并且只需要很少的填 料就能使复合物在物化稳定性、阻隔性、力学性能等方面获得明显增强。
[0004] 中国专利CN1546568A报道了一种利用有机化改性的分子筛作为功能性增强填料 制备的聚氨酯/分子筛复合材料，有效的提高了聚氨酯的力学性能及耐溶剂性能，但分子 筛颗粒尺寸为微米级，在复合材料中的加入量相对较高，保温性能因此降低了。中国专利 CN1473876A与CN1398921A均通过熔融聚合法分别以有机化的纳米累托石与有机化的纳米 蒙脱土作为填料制备了层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合材料，纳米粒子的分散效果未达到非 常理想的程度。
[0005] 本发明在以上基础上采用层状硅酸盐通过插层复合法，将单体插入经层插剂处理 过的层状硅酸盐片层之间，均匀分散在聚合物机体中，再通过原位聚合制备获得纳米尺度 复合的层状硅酸盐-聚氨酯复合材料，并且通过控制无机物加入量获得综合性能的优选条 件，得到稳定性、耐热性、保温特性的综合性能更为理想的聚氨酯复合材料，较好的解决上 述专利中存在的问题。
[0006] 公开于该【背景技术】部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应 当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
【发明内容】
[0007] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供本发明提供了三元层状硅酸盐-聚氨 酯纳米复合保温材料及其原位聚合制备方法，可以解决现有泡沫聚氨酯保温材料因无填充 材料或者单一填充材料存在的物理化学性能不能达到理想的应用要求的问题。
[0008] 本发明提供的技术方案为：
[0009] 三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料，按质量百分比包括以下组分：聚氨 酯90-95 %、高岭土 2-7 %和蒙脱土 2-7 %。
[0010] 作为优选，所述的高岭土为纳米级高岭土；所述的蒙脱土为纳米级蒙脱土。
[0011] 本发明还提供了所述的三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料的制备方法， 包括以下步骤：
[0012] (1)活化：先将高岭土或蒙脱土粉碎，得到高岭土或蒙脱土颗粒，在真空干燥箱中 80°C干燥4h后，与盐酸溶液按质量比1 :5混合，搅拌处理2h，并于100°C干燥，得到干燥后 的活化高岭土或蒙脱土；
[0013] (2)制备插层前驱体：将干燥后的活化高岭土或蒙脱土与二甲基亚砜按质量比1 : 3混合，置于球磨机中研磨8h，得到部分插层的高岭土-二甲基亚砜胶体溶液或蒙脱土-二 甲基亚砜胶体溶液；向部分插层的高岭土-二甲基亚砜胶体溶液或蒙脱土 -二甲基亚砜 胶体溶液中补加二甲基亚砜，使高岭土或蒙脱土与二甲基亚砜的质量比达到1 :6,然后于 160°C磁力搅拌反应4h，转速为600r/min，得到高岭土或蒙脱土插层前驱体；
[0014] (3)制备插层型有机纳米高岭土或蒙脱土：将步骤（2)中得到的高岭土或蒙脱土 插层前驱体在l〇〇°C干燥后，与其5倍质量数的三乙醇胺混合，在170°C磁力搅拌反应2h，转 速为600r/min，然后用温度为60°C的无水乙醇冲洗3次，在80°C下的真空干燥箱中干燥，将 得到插层型有机纳米高岭土或插层型有机纳米蒙脱土，在干燥箱中隔离干燥；
[0015] (4)纳米材料配制复合聚醚：将有机纳米高岭土或有机纳米蒙脱土溶解于聚醚 330 ;分别于室温下搅拌lh复合后放入球磨机中混合研磨3h，而后分别于60°C水浴超声 lh，得到含量分别为10%有机纳米高岭土复合聚醚或10%有机纳米蒙脱土复合聚醚；
[0016] (5)按照三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料的配方比例加入10%有机纳 米高岭土复合聚醚和10 %有机纳米蒙脱土复合聚醚，混合，获得均一三元无机材料复合聚 醚混合溶液；在已配制好的三元无机材料复合聚醚混合溶液加入添加剂，搅拌混合均匀，放 入60°C烘箱中保温2h，得到复合聚醚体系；
[0017] (6)按照三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料的配方比例在复合聚醚体系 中加入异氰酸酯，搅拌10S后，导入模具中室温发泡；待发泡完成之后，在烘箱中80°C固化 5h，脱模，即制得三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料。
[0018] 作为优选，步骤（1)中高岭土和蒙脱土颗粒的粒度200-300目。
[0019] 作为优选，步骤（1)中盐酸溶液的浓度为5mol/L。
[0020] 作为优选，步骤（2)中球磨机的转速为110r/min。
[0021] 作为优选，步骤（4)中聚醚330与有机纳米高岭土或有机纳米蒙脱土的质量比为 9 :1〇
[0022] 作为优选，步骤（5)中所述的添加剂为1，4_ 丁二醇、丙三醇、甲基膦酸二甲酯和辛 酸亚锡。
[0023] 作为优选，所述的1，4_ 丁二醇、丙三醇、甲基膦酸二甲酯和辛酸亚锡的用量均为 复合聚醚总质量的1/30。
[0024] 作为优选，步骤（6)中搅拌的速度为600r/min。
[0025] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0026] 1.本发明的三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料在热稳定上相较于纯无 机的聚氨酯是有明显增强的，而且也优于单独掺杂的二元无机-聚氨酯复合材料；本发明 的三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料适用于直接暴露在阳光直射或运行温度偏 高的设备或装置（例如平板太阳能热水器集热器及水箱或室外大型水箱）保温层的保温。
[0027] 2.本发明的三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料所用无机纳米材料的原 料产量大、易获取，可有效降低产品的综合成本。
[0028] 3.由于纳米材料比表面积很大，反应过程中易于团聚或析晶，现有的聚氨酯无机 粒子复合材料很多存在无机粒子分散情况不理想，导致复合材料在稳定性和保温性上性能 不优的情况，本发明的制备方法成功解决了纳米材料在反应过程中的分散性差晶体易析出 的问题。
【附图说明】
[0029]图1为本发明三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料放大40倍扫描电镜照 片；
[0030] 图2为本发明三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料的TG曲线；
[0031] 有关附图标记的说明：
[0032]A-纯聚氨酯；B-95 %聚氨酯+5 %高岭土；C-95 %聚氨酯+5 %蒙脱土；D-95 %聚氨 酯+3 %蒙脱土 +2 %高岭土；E-90 %聚氨酯+3 %蒙脱土 +7 %高岭土；F-90 %聚氨酯+3 %高 岭土+7 %蒙脱土；
[0033]&-纯聚氨酯山-95%聚氨酯+5%高岭土；(：-95%聚氨酯+5%蒙脱土；(1-95%聚氨 酯+3 %蒙脱土 +2 %高岭土；e-95 %聚氨酯+2 %蒙脱土 +3 %高岭土；f-90 %聚氨酯+3 %高 岭土 +7 %蒙脱土；g-90 %聚氨酯+7 %高岭土 +3 %蒙脱土。
【具体实施方式】
[0034] 下面结合实施例对本发明的【具体实施方式】进行详细描述，但应当理解本发明的保 护范围并不受【具体实施方式】的限制。
[0035] 除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语"包括"或其变 换如"包含"或"包括有"等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它 元件或其它组成部分。
[0036]实施例1:
[0037] 三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料，按质量百分比包括以下组分：聚氨 酯95%、高岭土 2%和蒙脱土 3%;所述的高岭土为纳米级高岭土；所述的蒙脱土为纳米级 蒙脱土。
[0038] 本发明还提供了该三元层状硅酸盐-聚氨酯纳米复合保温材料的制备方法，包括 以下步骤：
[0039] (1)活化：先将高岭土或蒙脱土粉碎，得到高岭土或蒙脱土颗粒，高岭土和蒙脱土 颗粒的粒度200目；在真空干燥箱中8