PVC改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究毕业论文.doc
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1、诚信声明诚信声明 本人声明: 我所呈交的本科毕业设计论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外,论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 申请学位论文与资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 本人签名: 日期: 年 月 日 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 II 毕业设计(论文)任务书毕业设计(论文)任务书 设计(论文)题目: PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性
2、能的研究 学院: 材料学院 专业: 高分子材料与工程 班级: 高材 0702 学号: 200721039 学生: 孙旭阳 指导教师: 武德珍 专业负责人: 李齐方 1设计(论文)的主要任务及目标 (1) 培养学生文献查阅和综述能力 (2) 培养学生动手能力及利用所学知识分析和解决问题的能力 (3) 培养学生对实验数据的归纳总结能力及论文的写作能力 2设计(论文)的基本要求和内容 (1) 查阅题目有关的国内外相关文献并进行综述 (2) 提出合理的实验方案 (3) 制备出 PVC 改性的聚氨酯泡沫材料并对其力学等性能进行研究 3主要参考文献 1 M.MODESTI,N.BALDOIN,F.SIMI
3、ONI.Formic acid as a co-blowing agent in rigid polyurethane foams J.Europe Polymer,1998,34(9):1233-1241. 2 朱吕民,刘益军,等.聚氨酯泡沫塑料(第 3 版) M.北京:化学工业出版社,2004. 3 张京珍.泡沫塑料成型加工M.北京:化学工业出版社,2005. 4进度安排 设计(论文)各阶段名称起 止 日 期 1 查阅文献写综述及开题报告2011.02.162011.02.28 2 设计实验流程及准备实验2011.03.01 2011.03.15 3 进行实验及性能测试2011.03.16
4、2011.05.16 4 分析实验数据及完成论文2011.05.162011.06.01 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 III PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 摘摘 要要 本文首先研究了制备硬质聚氨酯发泡材料的方法并制定出了基本的配方,还研 究了如何加入 PVC 才能得到性能最好的泡沫产品。实验中试验了直接以 PVC 粉末、 将 PVC 溶于溶剂中以及将 PVC 和增塑剂 DOP 混合三种加入方式。本文还讨论了不 同的发泡剂对发泡材料性能的影响,实验中使用了两种发泡剂:化学发泡剂去离 子水和物理发泡剂正戊烷。
5、此外,还设计了一组研究 PVC 用量对泡沫性能影响的 实验。随着 PVC 用量的增加泡沫的密度和压缩强度均有一定程度的增大。实验得到 的泡沫材料为闭孔结构,并且泡孔均匀,孔径约为 500m。通过压缩强度测试、密 度测试、热失重分析(TGA)以及扫描电子显微镜(SEM)和光学显微镜对产品进 行了表征。 关键词:关键词: 聚氨酯;硬质泡沫;聚氯乙烯;泡沫材料 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 IV Preparation of Polyvinyl Chloride-modified Polyurethane Foam ABSTRACT The paper studied t
6、he preparation of rigid polyurethane foam materials and worked out a basic formula, also studied how to mix PVC into the formula with the best way. This experiment tried three methods to add PVC to the formula: mixing the PVC powder into formula directly; dissolving PVC firstly and mixing the PVC wi
7、th DOP firstly. The paper also discussed how the vesicant affecting the properties of foam. Two vesicant have been used to product the foam: chemical vesicantwater and physical vesicantpentane. In addition, the paper discussed the influence of the amount of PVC to the foam. With the amount of PVC in
8、creasing, the density and compressive strength of foam has also increased. The structure of foam cell is closed and uniformed, the cell s diameter is about 500m. The paper characterized the product through the compression strength test, the density test, thermal gravimetric analysis(TGA), the scanni
9、ng electron microscopy(SEM) and the optical microscope. Key words: Polyurethane; Rigid foam; Polyvinyl chloride; foam material PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 V 目目 录录 第 1 章 绪论.1 第 1.1 节 聚氨酯简介 .1 第 1.2 节 泡沫塑料概述 .3 1.2.1 泡沫塑料的定义 3 1.2.2 泡沫塑料的分类4 1.2.3 泡沫塑料的特性4 1.2.4 泡沫塑料的进展5 第 1.3 节 硬质聚氨酯泡沫塑料 .6 第 1.4 节
10、生产硬质聚氨酯泡沫塑料的主体成分及各种助剂 .7 1.4.1 主体成分 7 1.4.2 各种助剂 8 第 1.5 节 硬质聚氨酯泡沫塑料在工程上的应用 .8 第 1.6 节 聚氨酯泡沫塑料的发泡过程及发泡体系 .9 1.6.1 聚氨酯发泡过程中的基本化学反应 9 1.6.2 聚氨酯泡沫塑料中气泡的形成过程 .11 1.6.2.1 气泡核的形成11 1.6.2.2 气泡的增长12 1.6.2.3 气泡的稳定13 1.6.2.4 热固性泡沫塑料的固化定性过程13 1.6.3 聚氨酯泡沫塑料的基本发泡体系 .14 第 2 章 实验部分16 第 2.1 节 实验原料及主要物化指标 16 2.1.1 实
11、验原料及其主要物性指标.16 2.1.2 实验仪器及测试仪器.17 第 2.2 节 产品合成路线 17 2.2.1 合成聚氨酯主要反应的方程式.17 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 VI 2.2.2 制得泡沫产品的过程.18 2.2.3 发泡材料的改进办法.18 第 2.3 节 产品表征 19 第 3 章 结果与讨论20 第 3.1 节 纯硬质聚氨酯泡沫的制备 20 第 3.2 节 以不同方式混入 PVC 对泡沫性能的影响 22 第 3.3 节 不同发泡方式对泡沫性能的影响 24 第 3.4 节 PVC 用量对泡沫性能的影响.27 结 论.32 参考文献.33 致 谢
12、.35 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 1 第第 1 章章 绪论绪论 第第 1.1 节节 聚氨酯简介聚氨酯简介 聚氨酯(polyurethane)是聚氨基甲酸酯的简称,是由多元醇和多异氰酸酯反应制 得的一类主链上带有重复-NHCOO-基团的聚合物的总称。根据所用原料官能团数目 的不同,可以制成线型结构或体型结构的高分子聚合物。由于聚合物的结构不同, 性能也不一样。利用这种性质,聚氨酯类聚合物可以分别制成从液体到固体、从软 质到硬质的涂料、黏合剂、塑料、纤维、橡胶等各种不同性能和类型的聚氨酯制品1。 聚氨酯的开发历史应该追溯到有机异氰酸酯的合成。德国化学家沃尔茨(Wur
13、tz) 最早于 1849 年用烷基硫酸盐与氰酸钾进行复分解反应合成了烷基异氰酸酯: R2SO4+2KOCN2RNCO+K2SO4 之后,化学家霍夫曼 (A.W.HOffmann)于 1850 年由双 N-苯基甲酰胺化合物成功 地合成了苯异氰酸酯: C6H5-NH-C-C-NH-C6H52C6H5NCO+H2 O O 1884 年,亨切尔(Hentschel)等人将胺类化学物质与光气反应合成了异氰酸酯: RNH2+COCl2RNCO+2HCl 后来德化学家拜尔(Bayer)及其同事们对异氰酸酯的加聚反应进行了研究,发现 可以生成各种聚氨酯及聚脲化合物,但实用性还不大。1933 年美国杜邦公司的卡
14、罗 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 2 瑟斯 (WH.Carothers)发明了尼龙,刺激德国想获得一种类似产品与其竞争,加速了 拜尔对聚氨酯的研究工作。他们发现六亚甲基二异氰酸酯(HDI)和 1,4-丁二醇的加 聚反应可以制得链状的聚氨酯,产品具有热塑性、可纺性,能制成塑料和纤维。当 时在商业上将这种树脂命名为伊加密 U(Igamidu),由这种树脂熔融纺丝制得的纤维 称为贝纶 U(PerlonU)。在德国发展聚氨酯的同时,美国,首先是杜邦的研究人员, 也开始对异氰酸酯进行研究。1941 年首先被德国人利塞 (TLieser)获得了二异氰酸酯 和二羟基化合物起反应的
15、专利权。次年,美国杜邦公司的卡特林 (W.E.Catllin)、汉 福德(Hanford)和霍姆斯(HolmeS)等也得到了专利权。第二次世界大战期间,日本的 星野、岩仓等也研究了二异氰酸酯的反应,成功地合成了聚六亚甲基四亚甲基氨基 甲酸酯,并将其命名为坡卢冉(Poluran),但一直没有工业化。 德国拜尔实验室的工作人员在第二次世界大战期间进一步对二异氰酸酯及羟基 化合物的反应进行研究,制得了硬质泡沫塑料、涂料和胶黏剂。1945-1947 年间,美 国对德国的几种科技和工业情报刊物调查之后,激起了美国工业,特别是与空军有 关工业的兴趣。1947 年杜邦公司和孟山都公司建立了 2,4-甲苯二异
16、氰酸酯的试验装 置,在固特异航空公司 (GoodyearAlrcraftcorp.)、洛克希德航空公司进行硬质聚氨酯 泡沫塑料的制造。 当时,聚氨酯的优良性能己被人们公认,但其高价格阻碍了工业应用。直到 1952 年,拜尔公司报道了软质聚酯型聚氨酯泡沫塑料的研究成果,才改变了这种情 况。软质聚氨酯泡沫塑料重量轻、密度低,有很高的比强度,这些特点给聚氨酯的 扩大应用打下了基础,所以一般将 1952 年作为聚氨酯工业开始的一年。 聚酯型软质泡沫塑料虽然性能优良,但成本较高,价格较贵,因此促使人们寻 找比聚酯价廉的树脂来取代它。美国杜邦公司首先用聚四亚甲基醚二元醇来代替聚 酯制造软质泡沫塑料,后来改
17、用以廉价的氧化烯烃、蓖麻油等为原料制备的聚醚树 脂用于软质聚氨酯泡沫塑料的生产。用这种聚醚制得了泡沫塑料性能较好,价格较 低,使聚氨酯工业又发生了一次重大的突破。可以说,聚氨酯泡沫塑料是由聚酯型 开始,从聚醚型发展起来的。 在泡沫塑料的制备工艺技术方面,在聚醚型泡沫生产初期,采用“二步法”工 艺,即先制备预聚体,再加入各种助剂,比较复杂。1958 年底,美国莫贝(Mobay)公 司和联合碳化物公司 (UnionCarbideCo.)采用了催化活性高的三亚乙基二胺(三乙烯 二胺)作为发泡催化剂,并结合采用有机硅表面活性剂以后,开辟了一直沿用至今的 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究
18、 孙旭阳 3 “一步法”工艺技术。之后发现采用复合催化剂对聚氨酯反应更有效,最常用的是 叔胺和有机锡类化合物。在聚氨酯泡沫塑料生产工艺中,配方是个重要因素。目前 可以做到利用各种不同原料,通过改变配方制备各种不同密度、不同性能、满足不 同应用的泡沫塑料,软的可以赛棉花,硬的可以比木材,十分自如。 聚氨酯泡沫塑料起始于硬质,开始时用作飞机机件的包芯材料和填充材料、船 舶浮力材料和绝热材料,以后逐步推广到其它各方面的应用。软质泡沫出现后其性 能超过了泡沫橡胶,作各种垫材和衬里十分合适,从而发展速度大大超过了硬泡, 大量代替了木棉、棉絮和其它衬垫材料。1961 年,采用蒸汽压较低的聚合多异氰酸 酯制
19、备硬质聚氨酯泡沫塑料,提高了硬质泡沫塑料的性能并减少了施工时的毒性, 大量地应用于现场喷涂工艺,使硬质泡沫塑料的应用范围得到进一步扩大。 我国聚氨酯工业起步于 1958 年,在二十世纪六、七十年代已初步形成规模。当 时大连与上海均以聚酯多元醇为基合成聚氨酯软泡生产线,而江苏省化工研究所以 方禹声教授为首的科研人员开创了以聚醚多元醇为基合成聚氨酯软泡、硬泡、弹性 体、胶豁剂等系列产品,并建成几个几千吨级原料生产线。自二十世纪八十年代初 期以来,我国先后引进万吨级二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)与甲苯二异氰酸酯(TDI) 装置与技术,以及石化系统引进万吨级聚醚多元醇生产线,极大地促进了我国聚氨 酯工
20、业的全面发展。 八十年代以来,聚氨酯泡沫塑料用各类助剂发展迅猛。其中胺类催化剂发展较 快,双(二甲胺基乙基)醚已由江苏省化工研究所攻关成功并已商品化,商品名 JSPC1。金坛助剂厂等几家工厂生产的 N,N-二甲基环己胺在硬质聚氨酯泡沫塑料 中有广泛的用途。用于模塑发泡的多种新型催化剂,包括延迟催化剂也已商品化2。 第第 1.2 节节 泡沫塑料概述泡沫塑料概述 1.2.1 泡沫塑料的定义泡沫塑料的定义 泡沫塑料是以树脂为基础制成的内部含有无数微小泡孔的塑料泡沫塑料,又称 为微孔塑料或多孔塑料3。现代技术几乎能把所有的热固性和热塑性树脂加工成泡沫 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究
21、孙旭阳 4 塑料。主要品种有聚苯乙烯(PS)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚氨 酯(PU)、酚醛、脲醛等泡沫塑料。 1.2.2 泡沫塑料的分类泡沫塑料的分类 泡沫塑料常用以下三种分类方法3。 (1)按泡沫硬度可分为软质、硬质和半硬质三类泡沫塑料。在 23和 50%的相对 湿度下,软质泡沫塑料弹性模量小于 70MPa;硬质泡沫塑料弹性模量大于 700MPa; 半硬质泡沫塑料弹性模量 70700MPa。 (2)按泡沫密度可分为低发泡、中发泡和高发泡三类泡沫塑料。低发泡泡沫塑料 密度在 400 kg/m3以上;中发泡泡沫塑料密度在 100400 kg/m3之间;高发泡泡沫塑
22、料密度在 100 kg/m3以下。 (3)按泡沫结构分类可分为开孔和闭孔泡沫塑料。所含泡孔绝大多数都是相互连 通互相通气的泡沫塑料称为开孔泡沫塑料。所含有泡孔绝大多数都是互不连通孤立 存在的泡沫塑料称为闭孔泡沫塑料。 1.2.3 泡沫塑料的特性泡沫塑料的特性 泡沫塑料具有以下特性3。 (1)密度低。泡沫塑料中有大量气泡存在,其密度约在 10500 kg/m3。 (2)减震性好。泡沫塑料在受到冲击载荷时,泡孔中的气体受载荷作用而压缩, 外力消失而回弹,这种压缩、回弹会消耗掉冲击载荷能量。 (3)隔热性优良。由于泡沫塑料中有大量气泡,泡孔内气体的热导率比塑料低很 多,所以泡沫塑料的热导率很低。 (
23、4)隔音效果好。泡沫塑料隔音效果是通过吸收声波能量,使声波不能反射传递 而达到的。 (5)比强度高。由于泡沫塑料密度低,比强度自然要比非发泡塑料高。泡沫塑料 PVC 改性聚氨酯发泡材料的制备及其结构性能研究 孙旭阳 5 的力学强度随发泡倍数的增加而下降,一般微孔或小孔泡沫塑料强度高。 1.2.4 泡沫塑料的应用 由于泡沫塑料具有优良的特性,所以在日用品、工业、农业、交通运输、国防 工业、航空航天等方面得到了广泛应用,特别适用于减震包装材料、建筑材料、保 暖材料、隔音材料、电器材料、日用品、医疗用品、船舶、车辆、飞机等方面3。 1.2.4 泡沫塑料的进展泡沫塑料的进展 近些年来发泡技术得到了较快
24、的发展,新的泡沫材料也不断出现3。 (1)微孔发泡工艺 微孔发泡(或超微孔)是一项比较新的技术。普通泡沫塑料的泡孔直径一般为 150250m,而微孔泡沫泡孔直径不大于 50m (超微孔小于 30m),泡孔密度 1091013 泡孔cm-3之间。微孔发泡泡沫塑料具有优良的性能,包括高冲击强度、 高疲劳寿命、高热稳定性、更好的隔热、绝缘性等特点。但其加工难度比较大,一 般采取间歇加工工艺和连续挤出工艺。 (2)注射结构发泡技术 结构发泡技术包括注射、挤出两种成型方法,其中注射结构发泡技术是注射成 型技术中的一种改进技术。它既保留了注射成型工艺中的许多优点,又避免了传统 注射工艺中的一些问题,还能减
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