一种纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种泡沫材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在聚氨酯泡沫产品中，硬质聚氨酯泡沫材料以其优良的力学性能、声学性能、电学 性能、耐化学性能等，在保温行业、包装行业、造船工业等领域得到了广泛应用。硬质聚氨酯 泡沫虽有一定的强度，但有些场合下不能完全满足工程上的要求，因此人们对硬质聚氨酯 泡沫材料的增强作了很多研究。通常增强硬质聚氨酯泡沫的方法有纤维增强、微粒增强、互 穿网络聚合物增强等。纤维增强易造成制品中存在气泡及后处理过程中泡沫不稳定的现 象；微粒增强易引起发泡体系黏度迅速增加，导致发泡困难。因此这些增强方法的不足之处 在于，增强相的添加量毕竟有限，导致增强的效果不显著。
[0003] "互穿聚合物网络"这个名词是1960年，Millar在研究聚苯乙烯/聚苯乙烯同 质IPNs作为离子交换树脂时首次使用的。互穿聚合物网络（InterpenetratingPolymer Network,IPNs)是由两种或两种以上的聚合物网络相互穿透或缠结所构成的一类化学共混 网络合金体系，其中一种网络在另一种网络的直接存在下，现场聚合或交联形成的各网络 之间为物理贯穿。其特点是一种材料无规地贯穿到另一种材料中，起着"强迫互容"和"协 同效应"的作用，从而使其既不失去原有聚合物固有的特性，又可获得其他共混聚合物无法 得到的独特性能，故近年来发展迅速。
[0004] 聚氨酯是性能优良的高分子材料，但其耐高温性能较差，而环氧树脂具有优良的 粘结性能、高模量、高强度和热稳定性能。由聚氨酯（PU)和环氧树脂（EP)两种聚合物相互 贯穿而形成的聚合物网络体系简称为PU/EPIPN，同时环氧树脂还具有可与异氰酸酯基反 应的羟基，是聚氨酯与环氧树脂的网络间还产生一定的化学连接。两种聚合物相互交叉渗 透，机械缠结，起到与纤维素分子的"强迫互溶"和"协同效应"的作用，可明显地改善复合 体系的分散性、界面亲和性，从而提高稳定性，实现性能互补。
【发明内容】
[0005] 本发明要解决现有聚氨酯和环氧树脂两种聚合物相互贯穿而形成的聚合物存在 吸声性能差，力学性能低的问题，而提供一种纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质 复合泡沫材料及其制备方法。
[0006] 本发明的一种纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料，纤维素 增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料的吸声性能为80%~92% ;
[0007] 所述的纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料按重量份数由8 份~12份聚醚多元醇、10份~16份异氰酸酯、0. 05份~0. 25份水、2份~3. 5份发泡剂、 0. 05份~0. 2份匀泡剂、0. 04份~0. 15份引发剂、0. 1份~5份质量百分数为1 %的纳米 纤维素纤维的水溶胶、0. 05份~0. 4份扩链剂、0. 05份~0. 4份交链剂和0. 1份~8份环 氧树脂制备而成；
[0008] 所述的质量百分数为1%的纳米纤维素纤维的水溶胶具体是按以下步骤制备的： ①、对植物纤维用苯醇混合液抽提6h，将抽提过的植物纤维移入到综纤维素测定仪中；所 述的植物纤维为棉花纤维、木材纤维、竹子纤维、亚麻纤维或纸浆；
[0009] 所述的苯醇混合液为苯和乙醇的混合液，所述的苯和乙醇的体积比为2:1 ;
[0010] ②、向综纤维素测定仪中加入蒸馏水、冰乙酸和亚氯酸钠，在振动速度为lOOrpm 及温度为75°C的恒温水浴中加热lh;
[0011] 步骤①中所述的抽提过的植物纤维的质量与步骤②中蒸馏水的体积比为 lg:32.5mL;步骤①中所述的提过的植物纤维的质量与步骤②中冰乙酸的体积比为 lg:0. 25mL;步骤①中所述的提过的植物纤维与步骤②中亚氯酸钠的质量比为1:0. 345 ;
[0012] ③、向综纤维素测定仪中加入冰乙酸和亚氯酸钠，在振动速度为lOOrpm及温度为 75°C的恒温水浴中加热lh;
[0013] 步骤①中所述的抽提过的植物纤维的质量与步骤③中冰乙酸的体积比为 lg:0. 25mL;步骤①中所述的抽提过的植物纤维与步骤③中亚氯酸钠的质量比为1:0. 345 ;
[0014] ④、重复步骤③4次，过滤洗涤，得到综纤维素；
[0015] ⑤、将综纤维素浸渍于质量百分数为17. 5%的NaOH溶液中80min~120min，得到 α-纤维素；
[0016] ⑥、将α-纤维素分散到水中，得到α-纤维素水溶液，在操作压力为15000psi的 条件下，采用高压M-110P射流纳米均质机对α-纤维素水溶液进行均质，均质12次，均质 后用水稀释，得到质量百分数为1 %的纳米纤维素纤维的水溶胶；所述的高压Μ-110Ρ射流 纳米均质机内腔孔径为80μm。
[0017] 本发明的一种纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料的制备 方法是按以下步骤进行的：
[0018] -、按重量份数称取8份~12份聚醚多元醇、10份~16份异氰酸酯、0. 05份~ 0. 25份水、2份~3. 5份发泡剂、0. 05份~0. 2份匀泡剂、0. 04份~0. 15份引发剂、0. 1份~ 5份质量百分数为1 %的纳米纤维素纤维的水溶胶、0. 05份~0. 4份扩链剂、0. 05份~0. 4 份交链剂和〇. 1份~8份环氧树脂；
[0019] 所述的质量百分数为1%的纳米纤维素纤维的水溶胶具体是按以下步骤制备的： ①、对植物纤维用苯醇混合液抽提6h，将抽提过的植物纤维移入到综纤维素测定仪中；所 述的植物纤维为棉花纤维、木材纤维、竹子纤维、亚麻纤维或纸浆；
[0020] 所述的苯醇混合液为苯和乙醇的混合液，所述的苯和乙醇的体积比为2:1 ;
[0021] ②、向综纤维素测定仪中加入蒸馏水、冰乙酸和亚氯酸钠，在振动速度为lOOrpm 及温度为75°C的恒温水浴中加热lh;
[0022] 步骤①中所述的抽提过的植物纤维的质量与步骤②中蒸馏水的体积比为 lg:32.5mL;步骤①中所述的提过的植物纤维的质量与步骤②中冰乙酸的体积比为 lg:0. 25mL;步骤①中所述的提过的植物纤维与步骤②中亚氯酸钠的质量比为1:0. 345 ;
[0023] ③、向综纤维素测定仪中加入冰乙酸和亚氯酸钠，在振动速度为lOOrpm及温度为 75°C的恒温水浴中加热lh;
[0024] 步骤①中所述的抽提过的植物纤维的质量与步骤③中冰乙酸的体积比为 lg:0. 25mL;步骤①中所述的抽提过的植物纤维与步骤③中亚氯酸钠的质量比为1:0. 345 ;
[0025] ④、重复步骤③4次，过滤洗涤，得到综纤维素；
[0026] ⑤、将综纤维素浸渍于质量百分数为17. 5%的NaOH溶液中80min~120min，得到 α-纤维素；
[0027] ⑥、将α-纤维素分散到水中，得到α-纤维素水溶液，在操作压力为15000psi的 条件下，采用高压M-110P射流纳米均质机对α-纤维素水溶液进行均质，均质12次，均质 后用水稀释，得到质量百分数为1 %的纳米纤维素纤维的水溶胶；所述的高压Μ-110Ρ射流 纳米均质机内腔孔径为80μπι;
[0028] 二、首先将8份~12份聚醚多元醇、0. 05份~0. 2份匀泡剂、0. 04份~0. 15份引 发剂、2份~3. 5份发泡剂、0. 05份~0. 4份扩链剂、0. 05份~0. 25份水和0. 1份~5份 质量百分数为1 %的纳米纤维素纤维的水溶胶加入到1号模具中，再向1号模具中加入〇. 1 份~8份环氧树脂和0. 05份~0. 4份交链剂，搅拌均匀，得到混合料；
[0029] 三、首选将10份~16份异氰酸酯加入到2号模具中，再将混合料加入到2号模具 中，搅拌至产生气泡，静置72h，得到发泡后的混合物；
[0030] 四、将发泡后的混合物加入到3号模具中，在室温下固化30min~60min，然后在高 温下固化，即得到一种纤维素增强聚氨酯/环氧树脂互穿网络硬质复合泡沫材料；
[0031] 所述的高温下固化为在温度为60°C下固化6h，或在温度为80°C固化4h，或在温度 为120°C固化2h。
[0032] 本发明的有益效果是：本发明由于纤维素的加入，使得胞体体积增大，胞体壁变 薄，气孔增多，从而改变了材料的力学性能，其抗压强度得到提高，相对于未加入纤维素的 样品其抗压强度最高增加了 〇. 〇34MPa，抗弯强度相对于未加入纤维素的样品最高增加了 0. 0769MPa。而加入纤维素对材料的表观密度和热学性能也有一定影响，表观密度显示随 着纤维素含量增加，表观密度由81. 06kg/m3减为42. 89kg/m3,导热系数由0. 0325WAm·K) 减为0.0229WAm*K)。因而可根据纤维素的添加量制造保温材料或隔热材料。声学性能 测试显示纤维素的含量增加后，提高了最佳吸声频率，吸声系数最大值也由31. 7%变为 92. 8%，吸声系数最大值逐渐增大，吸声效果越来越好。
[0033] 原理：纤维素是高分子纤维状结构，纳米纤维素具有优异的力学性能，其原子力 显微镜测得弹性模量在lOOGPa~150GPa之间，接近于炭纤维的弹性模量。纤维素上的羟 基基团和聚氨酯材料通过化学键和氢键形成三维网状结构，在材料内形成硬质成分，可以 有效的提高互穿聚氨酯材料的力学性能。纳米纤维的添加在互穿聚氨酯中形成第二相，导 致声波散射增强，同时纤维的加入可以增加剪切形变的损耗，其既增加了波的传播路径， 同时也增加了波的能量消耗。这些因素使得材料的吸声性能得到提高。
【附图说明】
[0034] 图1为红