一种无机填料改性聚氨酯泡沫材料及其制备方法与流程

本发明涉及热固性高分子泡沫材料领域，具体涉及一种无机填料改性聚氨酯泡沫材料及其制备方法。

背景技术：

微生物固定生长化的污水处理方法，需要依赖载体使得微生物在其上面大量繁殖，从而提高微生物的有机降解能力，不仅能够实现污水水质达标处理，而且能够将剩余污泥原位分解，解决传统生物处理技术棘手的剩余污泥问题，因而日益受到人们的青睐。微生物载体是微生物固定生长化的污水处理技术的关键，聚氨酯泡沫塑料具有密度低，比表面积大等特点，并且具有规整的三维网络孔结构，是一种较为理想的载体材料。但存在技术、性能以及使用寿命等问题，尤其是吸附能力差和力学性能差，影响了其规模化生产和应用。目前改善聚氨酯泡沫塑料吸附能力和力学性能的方法通常有：引入强吸附能力的活性炭，缺点是比表面积小，稳定性差；加入天然或有机高分子凝胶作为吸附材料，则生物稳定性易出现问题。

因此，寻找能有效改善多孔聚氨酯泡沫塑料吸附性能和生物相容性的方法具有重要的现实意义。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种无机填料改性聚氨酯泡沫材料，用于解决现有技术中聚氨酯泡沫塑料吸附性能和生物相容性较差的问题。

为实现上述目的，本发明提供一种无机填料改性聚氨酯泡沫材料，由以下重量份计的原料组分混合制成：多元醇90-110份、去离子水3-8份、催化剂0.1-2份、表面活性剂0.5-2份、异氰酸酯类化合物40-70份、无机粒子1-30份。

进一步地，所述多元醇选自聚醚多元醇、聚酯多元醇、生物基多元醇中的一种或多种。

进一步地，所述聚醚多元醇选自端胺基聚醚多元醇、二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇中的一种或多种；所述聚酯多元醇选自磺酸盐改性聚酯多元醇；所述生物基多元醇选自蓖麻油或大豆油。

优选地，所述端胺基聚醚多元醇占聚醚多元醇总重量的15-60％，该端胺基聚醚分子量在200-1200之间，胺值大于100mgkoh/g，其余聚醚多元醇为二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇中的一种或二种组合，二羟基聚醚多元醇、三羟基聚醚多元醇的分子量为1500-3500之间，羟值15-60mgkoh/g。本发明这样特定组成的聚醚多元醇，亲水性好，同植物栽培基质复合紧密，复合产品既有利于微生物活动，又适合植物种植。

优选地，所述聚酯多元醇为磺酸盐改性聚酯多元醇，分子量1200-3500g/mol，羟值25-80mgkoh/g。

进一步地，所述催化剂选自三乙醇胺、三乙烯二胺、n,n-二甲基环己胺、月桂二丁基锡、辛酸亚锡的一种或多种。

进一步地，所述表面活性剂选自高效硅酮乙二醇共聚物、硅酮稳定剂、硅酮聚醚共聚物、有机硅化合物的一种或多种。

进一步地，所述异氰酸酯类化合物选自甲苯二异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯、六甲基二异氰酸酯的一种或多种。

进一步地，所述无机粒子选自碳化硅、可膨胀石墨、蛭石、氧化石墨烯、埃洛石纳米管、纤维素纳米晶中的一种或多种。

此外，本发明还提供了一种无机填料改性聚氨酯泡沫材料的制备方法，其通过如下四步法制备：第一步将多元醇、异氰酸酯分别进行预加热，温度为30-40℃，时间为0.5-2h；第二步按配比将多元醇、去离子水、表面活性剂、催化剂和无机粒子混合均匀，搅拌速度为1000-2000r/min；第三步与异氰酸酯类化合物高速搅拌，搅拌速度为1000-2000r/min，搅拌时间为3-20秒；第四步倒入模具中，自由发泡，在温度20-30℃条件下静止20-30min后脱模，再把脱模后产品放置在20-30℃通风、相对湿度小于40％的环境下熟化24-48小时，即制得无机填料改性聚氨酯泡沫材料。

如上所述，本发明的无机填料改性聚氨酯泡沫材料具有以下有益效果：本发明的聚氨酯泡沫材料以去离子水作为发泡剂，以克服现有的含氟发泡剂破坏大气臭氧层的缺点，满足中国对于环保和可持续发展的需求，绿色经济，环境友好，无毒不燃；发泡工艺简单，发泡倍率可控。在此基础上，采用生物相亲相好的无机粒子作为吸附材料来提高聚氨酯的生物吸附性能和力学性能。应用在污水处理等领域，聚氨酯泡沫的高开孔率和大尺寸泡孔可为污水的流动提供通道，填料的生物亲和性可改善微生物的附着性能。

附图说明

图1为对比例和实施例1、2、3、4、5制备的无机粒子改性聚氨酯泡沫材料密度图

图2为对比例和实施例1、2、3、4、5制备的无机粒子改性聚氨酯泡沫材料开孔率图

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要再指出的是本实施例只用于对本发明进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

本发明中，若非特指，所采用的原料和设备等均可从市场购得或是本领域常用的。下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域的常规方法。

微生物通过附着于填料表面以及进入填料内部孔隙，被截留在水体中，而不随水流流失。微生物附着量的多少对填料的孔径和开孔率都有着要求：孔径适中，太大微生物会被水流冲刷走，太小不利于微生物和水中营养物质的交换。添加无机粒子，可改变填料表面的电荷密度，从而使微生物更倾向于生长在该填料表面。

实施例1-5

第一步将聚醚多元醇(aldrich公司，产品编号435406)、甲苯二异氰酸酯分别预加热，温度为35℃，时间为1h；第二步按重量份配比，将聚醚多元醇100份、去离子水5份、三乙醇胺0.5份、高效硅酮乙二醇共聚物0.5份、石墨粒子分别选择0份(空白对比例)、3.5份(实施例1)、10.5份(实施例2)、18份(实施例3)、25份(实施例4)和30份(实施例5)，将上述原料搅拌混合均匀，搅拌速度为1000r/min，搅拌时间为1分钟；第三步上述混合物与甲苯二异氰酸酯57份、三乙醇胺0.5份高速搅拌，搅拌速度为2000r/min，搅拌时间为3秒；第四步倒入模具中，自由发泡，在温度20-30℃条件下静止20-30min后脱模，再把脱模后产品放置在20-30℃通风、相对湿度小于40％的环境下熟化36小时，即制得无机填料改性聚氨酯泡沫材料。

表1无机粒子改性前后聚氨酯泡沫参数的变化

由上表可以看出，用不同重量份的无机石墨粒子对聚氨酯泡沫改性后，泡沫的表观密度均有增加，这是因为泡沫接枝了石墨粒子；孔径均有减小；开孔率和持水倍率均有提高，说明材料改性后网孔结构更加发达，亲水性更好。当石墨粒子重量份为25份时，经处理后的聚氨酯泡沫的开孔率为99.1％，持水倍率为29.8，改性后聚氨酯泡沫载体亲水性能良好，微生物附着量明显提高。

需要说明的是，无机粒子的添加量不能超过30份，若超过30份，原材料搅拌困难难以混合均匀，且发泡困难。

综上，本发明的改性聚氨酯有效微生物固化载体能使微生物附着量提高，并产生很强的繁殖性(每毫升中繁殖出上百万的微生物)，能快速减少水体中bod5(生物耗氧量)、cod(化学耗氧量)、tss(固体悬浮物)，对氨氮和磷有很强的去除能力。该无机粒子改性聚氨酯有效微生物固化载体在治理河道等自然水体，不需要任何化学剂，所选用的所有微生物都是来自于自然界，没有基因改变的菌种，没有致病和产生变异的危险。处理后的污水无二次污染，所产生的微生物自然死亡，水中没有bod(生物耗氧量)，则微生物失去存活能源，自然减少，成为二氧化碳和水，不对环境和生物产生任何伤害。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。