專利名稱：一種用于散粒體固結(jié)的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聚氨酯材料領(lǐng)域，具體涉及一種用于散粒體固結(jié)的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，尤其適用于鐵路道砟、公路級配碎石等散粒體的柔性固結(jié)。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會生產(chǎn)力的提高，高速、安全、舒適、重載已成為鐵路和公路運(yùn)輸?shù)闹饕l(fā)展方向。然而傳統(tǒng)鐵路有砟軌道存在道砟磨損、粉化嚴(yán)重，道床變形量大等問題；既有公路的級配碎石也存在相同的劣化現(xiàn)象，在當(dāng)前運(yùn)輸密集、載重量大的環(huán)境條件下，這些問題更為突出。如何降低既有有砟鐵路和公路的養(yǎng)護(hù)維修工作量，提高使用壽命，降低運(yùn)營成本，已成為很多國家研究的重要領(lǐng)域。一種柔性固結(jié)技術(shù)曾被提出，即采用柔性材料將已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定的新鋪道砟(級配碎石)等散粒體材料的空隙填充，并將其柔性固結(jié)在一起，這些散粒體材料與柔性材料共同作用形成一個(gè)有機(jī)的整體，這樣既保持原來結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，又提高結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，大大降低散粒體材料之間的磨損、粉化，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料在充填和柔性粘接方面有著優(yōu)異的性能，曾被提出用于鐵路有砟軌道的道砟固結(jié)。但是軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的密度小、壓縮殘留應(yīng)變大、拉伸強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度低，使其應(yīng)用受到了一定的局限性，目前，還未見可適用于散粒體固結(jié)的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料研究報(bào)道。而且有關(guān)高密度、粘接強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、回彈率，及低壓縮永久變形，抗老化性能和阻燃性能好的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的制造技術(shù)仍有待研究改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種成型工藝簡單，且具有高密度、粘接強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、回彈率，及低壓縮永久變形等性能優(yōu)異的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料。為解決上述技術(shù)問題，提高軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的物理性能和力學(xué)性能，本發(fā)明人系統(tǒng)研究了軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的原材料組成和配合比，以及聚合反應(yīng)條件和聚合催化劑，材料密度及泡孔結(jié)構(gòu)等因素對軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料性能的影響。研究結(jié)果表明，單一品種的多元醇或異氰酸酯難以解決本發(fā)明的技術(shù)難題，而采用復(fù)合多元醇，且選擇一部分高分子量的多元醇，有利于提高軟質(zhì)聚氨酯的物理性能和力學(xué)性能；采用多種交聯(lián)劑，發(fā)揮其協(xié)同作用，對聚氨酯材料成型的物理性能和力學(xué)性能有顯著提高的作用；同時(shí)，采用合適的發(fā)泡劑品種和用量，以及性能優(yōu)異的泡沫穩(wěn)定劑將會大大改善聚氨酯泡沫材料的密度及泡孔結(jié)構(gòu)，能較好地提高其物理性能和力學(xué)性能。本發(fā)明所提供的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，在催化劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、抗氧化劑、阻燃劑等助劑存在條件下，將多元醇和異氰酸酯組分，按一定的比例混合、反應(yīng)而制得；各組成材料配比按質(zhì)量份計(jì)，多元醇為100份，異氰酸酯為20 60份，催化劑為
O.2 3份，交聯(lián)劑為O. 2 10份，發(fā)泡劑為O. 2 5份，泡沫穩(wěn)定劑為O. 05 3份，抗氧化劑為O. 05 I份，阻燃劑為I 30份，其他助劑O 20份。
本發(fā)明所述的多元醇為聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚脲多元醇、聚烯烴類多元醇、天然物中提取的多元醇、含磷、銻、氯的接枝多元醇、含氮雜環(huán)多元醇、芳香族及雜環(huán)多元醇中的兩種或兩種以上物質(zhì)組成的混合物。本發(fā)明所述的所述多元醇的平均官能度為2 6，平均分子量為3000 10000，且至少有一部分高分子量的聚氧化烯烴多元醇，其分子量為6000 12000。當(dāng)平均分子量低于下限時(shí)，所得到的聚氨酯泡沫材料柔性不足，回彈率低，壓縮永久變形大；而當(dāng)平均分子量高于上限時(shí)，聚氨酯泡沫材料的拉伸強(qiáng)度、粘接強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度不足。選擇平均官能度較高的多元醇，在交聯(lián)劑的作用下，更容易制造出結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的體型聚氨酯泡沫材料，以保證聚氨酯泡沫材料有較小的壓縮永久變形。本發(fā)明所述的異氰酸酯，可以選擇常用的原材料，如具有大于等于兩個(gè)異氰酸基的芳香族系、脂環(huán)族系、脂肪族系等異氰酸酯化合物或其改性體。如2，4-甲苯二異氰酸酯(TDI)、4，4' -二苯基亞甲基二異氰酸酯(MDI)、2，4' - 二苯基亞甲基二異氰酸酯、己基亞甲基二異氰酸酯、異弗爾酮二異氰酸酯(TPDI)、二環(huán)已基甲烷_4，4' -二異氰酸酯(氫化MDI)，以及脲烷改性體、脲基甲酸鹽改性體、雙縮脲改性體、多亞甲基多苯基多異氰酸酯等。上述異氰酸酯既可以單獨(dú)使用也可以二種或二種以上混合使用，當(dāng)混合使用時(shí)，可以得到性能優(yōu)良的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料。當(dāng)異氰酸酯的平均官能度為2 2. 4時(shí)，所得到的發(fā)泡材料具有較好體積穩(wěn)定性和回彈率，及較低的壓縮永久變形。本發(fā)明所述的催化劑，屬于叔胺類催化劑和有機(jī)金屬錫催化劑的混合物，前后兩種催化劑的質(zhì)量比為O. 05 20。通過調(diào)整兩種催化劑用量與比例，實(shí)現(xiàn)聚氨酯泡沫材料的發(fā)泡反應(yīng)和凝膠反應(yīng)速率達(dá)到平衡，使泡沫網(wǎng)絡(luò)骨架樹脂的強(qiáng)度達(dá)到足以使小氣泡包陷在內(nèi)的程度，制備出性能良好的聚氨酯泡沫材料。所述的叔胺類催化劑可以為脂肪胺類、脂環(huán)胺類、醇胺類和芳香胺類催化劑，如N，N- 二甲基環(huán)己胺、三亞乙基二胺、三乙胺、N，N- 二甲基芐胺、N-乙基嗎啉、N-甲基嗎啉、N，N' -二乙基哌嗪、三乙醇胺、N，N' -二甲基乙醇胺、N，N' - 二甲基吡啶等一種或一種以上的物質(zhì)組成的混合物；所述的有機(jī)錫類催化劑可以為有機(jī)錫化合物，如二月桂酸酯二丁基錫、辛酸亞錫、油酸亞錫、二 -2-乙基己酸二丁基錫、氯化三丁基錫、三氯化丁基錫等一種或一種以上物質(zhì)組成的混合物。本發(fā)明所述的交聯(lián)劑為一些含有2 6個(gè)官能團(tuán)的活性氫化合物，可以為分子量較小的多元醇和多元胺類化合物，或者為含有氨基和含有叔氮原子的多元醇，或者為以小分子多元醇或醇胺為起始劑與氧化乙烯聚合而得的相對分子質(zhì)量為幾百的低黏度多元醇的上述兩種或兩種以上化合物組成。如1，4_ 丁二醇、乙二醇、一縮二乙二醇(二甘醇)、丙二醇、一縮二丙二醇、三羥甲基丙烷，低分子量芳香族多元醇、2，4_甲苯二胺，1，4_ 二氮基己烷，異弗爾酮二胺、二乙醇胺、三乙醇胺，二乙基甲苯二胺(DETDA)，4，4,-亞甲基雙(2，6-二乙基)苯胺(M-DEA)等。所述交聯(lián)劑由含兩個(gè)和三個(gè)至六個(gè)活性氫基團(tuán)的低分子量化合物組成，含活性氫基團(tuán)平均數(shù)量為2. I 3. 5，活性基團(tuán)當(dāng)量為28 130，且含兩個(gè)活性氫基團(tuán)的交聯(lián)劑與含兩個(gè)以上活性氫基團(tuán)的交聯(lián)劑質(zhì)量比為O. I 6。復(fù)合交聯(lián)劑的使用，能夠顯著提高對于軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的機(jī)械強(qiáng)度、壓縮永久變形性能。本發(fā)明所述的泡沫穩(wěn)定劑為聚硅氧烷-氧化烯烴嵌段共聚物的有機(jī)硅表面活性劑，相對于多元醇用量為100質(zhì)量份，泡沫穩(wěn)定劑用量為O. 05 3質(zhì)量份。泡沫穩(wěn)定劑起著乳化泡沫物料、穩(wěn)定泡沫和調(diào)節(jié)泡孔的作用，可以增加各組分的互溶性，有助于氣泡的形成，但是泡沫穩(wěn)定劑用量小于下限，難以形成均勻的氣泡，且泡孔質(zhì)量很難控制，若泡沫穩(wěn)定劑用量大于上限，將大大降低了泡沫泡孔凝膠張力，使泡孔壁強(qiáng)度和彈性降低，難以留住氣體，泡沫容易崩坍。本發(fā)明所述的發(fā)泡劑，主要為水，也可以為水和一種或多種低沸點(diǎn)氟代烴類或烴類化合物組成的混合物，水屬于化學(xué)發(fā)泡劑，為主要發(fā)泡劑，而低沸點(diǎn)化合物屬于物理發(fā)泡劑，為輔助發(fā)泡劑。常用的物理發(fā)泡劑有氯氟烴(CFC)、氫氯氟烴(HCFC)、氫氟烴(HFC)、烷烴(HC)，以及液態(tài)C02等發(fā)泡劑，具體可選用CFC-II、HCFC-141b、HCFC-22、HCFC-123、HFC-245fa、HFC-152a、環(huán)戊烷、正戊烷、異戊烷、二氯甲烷(MC)等化合物。發(fā)泡劑的作用一是為了降低材料的密度，節(jié)約材料成本；二是使聚氨酯反應(yīng)混合液，在固化前能夠產(chǎn)生一定的體積膨脹，能夠較好地填充空隙。發(fā)泡劑的用量應(yīng)結(jié)合配合比特定和使用環(huán)境溫度來確定，當(dāng)發(fā)泡劑用量較大時(shí)，會導(dǎo)致反應(yīng)制得的材料泡孔粗大問題；用量較小時(shí)，反應(yīng)制得的材料膨脹倍數(shù)低，難以密實(shí)飽滿低填充空隙。所述的阻燃劑為含氯、溴、磷、銻、氮、硼等元素的有機(jī)阻燃劑或者為無機(jī)阻燃劑，也可采用含阻燃元素的反應(yīng)性阻燃劑。如三磷酸酯(TCPP)、三磷酸酯(TCEP)、三磷酸酯(TDCPP)、三溴新戊醇、二溴新戊二醇、三氧化銻、氫氧化鋁、硼酸鹽、聚磷酸銨等上述一種或多種物質(zhì)的混合物。本發(fā)明所述的抗氧化劑為受阻酚類化合物和亞膦酸酯化合物，如四[β _(3，5- 二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧劑1010)、2，6-二叔丁基-4-甲基苯酚(抗氧劑264)、亞膦酸三苯酯、三壬基代苯基亞膦酸酯、亞磷酸三(2，4_ 二叔丁基苯基)酯等上述一種或一種多種質(zhì)組成的混合物。在聚氨酯泡沫材料中添加入微量的抗氧劑即可起阻滯聚氨酯熱氧化的作用，顯著提高聚氨酯的耐候性能和耐紫外光性能。當(dāng)制造本發(fā)明的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料時(shí)，還可以根據(jù)需要使用光穩(wěn)定劑，可塑劑、著色劑和填料等通用的其他各種添加劑、助劑。本發(fā)明所制得的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能和耐久性能，其密度彡150kg/m3，撕裂強(qiáng)度彡600N/m，拉伸強(qiáng)度彡O. 3MPa，粘接強(qiáng)度彡O. 2MPa，斷裂伸長率彡120%，回彈率彡55%，壓縮永久變形(75%，70°C/24h) < 15% (壓縮永久變形指在70°C環(huán)境下，試件壓縮75%，恒壓保持24h后的變形率)，阻燃性能達(dá)BI級以上。該軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料具有高密度、粘接強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、回彈率，及低壓縮永久變形，高阻燃性的特性，可以較好地適用于鐵路道砟、公路級配碎石等散粒體的柔性固結(jié)，能夠保持原有結(jié)構(gòu)的諸多優(yōu)點(diǎn)，又提高結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，大大降低了散粒體顆粒之間的磨損、粉化，提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。本發(fā)明所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的應(yīng)用，最好使用雙液型的高壓發(fā)泡機(jī)，將已經(jīng)恒溫好的異氰酸酯與多元醇及其它所有原料的混合物，經(jīng)高壓混合形成反應(yīng)型混合液，注入到已經(jīng)處理過的道砟或級配碎石等散粒體顆粒之間的孔隙中，通過反應(yīng)發(fā)泡填充其中孔隙，將這些散粒體粘接在一起，起到柔性固結(jié)的作用。
具體實(shí)施例方式以下通過具體實(shí)施例介紹本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)和所具有的有益效果，但本發(fā)明并不局限于此。分別將異氰酸酯以外全部原料混合物(多元醇體系)以及異氰酸酯的液料溫度調(diào)整至(25±1)°C。按表I所述的配合比分別計(jì)量各原材料的用量，然后將異氰酸酯加入多元醇體系中，用高速攪拌機(jī)以3000rpm速度攪拌混合10秒。將剛混合好的聚氨酯衆(zhòng)液在室溫狀態(tài)注入上部敞開、內(nèi)部用聚乙烯膜覆蓋的直徑為500mm，高500mm的圓筒形模具內(nèi)。15min后從模具取出軟質(zhì)聚氨酯泡沫，冷卻至室溫(23±2) °C，然后放置在相對濕度為50%，溫度為(23±1) °C的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)48小時(shí)后取出，按表中所列的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制樣,然后再放入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至72小時(shí)，取出試樣進(jìn)行各種物理性能的測試，其測定結(jié)果如表2。材料物理性能的測定方法按照表中所列的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。其中，表2所述的粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法具體如下先將制備道砟或級配碎石所用巖石切割成尺寸為50mmX50mmX25mm的試塊，再將兩塊巖石試塊對中放置，試塊間距離為20mm,上口敞開，底部和側(cè)面用聚乙烯薄片密封，再從上口注入剛混合好的聚氨酯漿液，通過反應(yīng)發(fā)泡填充其中空間，將兩巖石試塊粘接在一起。15min后脫去側(cè)模,將試樣放置養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)72小時(shí)后取出，采用萬能試驗(yàn)機(jī)(試驗(yàn)力分辨力為O. IN，位移分辨力為O. 005mm)對所制的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為50mm/min,測定試樣拉伸破壞的最大強(qiáng)度,每組試驗(yàn)6個(gè)試樣，取其平均值記為該試樣的粘接強(qiáng)度。例I 4為實(shí)施例、例5 6為對比例。表I中配方欄中的數(shù)值表不質(zhì)量百分含量(％ )。表I聚氨酯軟質(zhì)泡沫材料對比例與實(shí)施例的配合比
權(quán)利要求
1.一種用于散粒體固結(jié)的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于在催化劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、抗氧化劑、阻燃劑等助劑作用下，將多元醇和異氰酸酯組分按一定比例混合、反應(yīng)制得該材料；各組成材料配比按質(zhì)量份計(jì)，多元醇為100份,異氰酸酯為20 60份，催化劑為O. 2 3份，交聯(lián)劑為O. 2 10份，發(fā)泡劑為O. 2 5份，泡沫穩(wěn)定劑為O. 05 3份，抗氧化劑為O. 05 I份，阻燃劑為I 30份，其他助劑O 20份。
2.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述多元醇的平均官能度為2 6，平均分子量為3000 10000，且該多元醇至少有一部分為高分子量的聚氧化烯烴多元醇，其分子量為6000 12000。
3.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述異氰酸酯由二種或二種以上，具有大于或等于兩個(gè)異氰酸基的芳香族系、脂環(huán)族系、脂肪族系等異氰酸酯化合物或其改性體組成，其平均官能度為2 2. 4。
4.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述催化劑為叔胺類催化劑與有機(jī)金屬錫催化劑組成的混合物，且前后兩種催化劑的質(zhì)量比為O. 05 20。
5.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述交聯(lián)劑由含2 6個(gè)活性氫基團(tuán)的低分子量化合物組成，含活性氫基團(tuán)平均數(shù)量為2. I 3. 5，活性基團(tuán)當(dāng)量為28 130，且含兩個(gè)活性氫基團(tuán)的交聯(lián)劑與含兩個(gè)以上活性氫基團(tuán)的交聯(lián)劑質(zhì)量比為O. I 6。
6.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述發(fā)泡劑主要為水，也可以為水和一種或多種低沸點(diǎn)氟代烴類或烴類化合物組成的混合物。
7.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所述泡沫穩(wěn)定劑為有機(jī)硅表面活性劑，主要為聚硅氧烷-氧化烯烴嵌段共聚物。
8.如權(quán)利要求I所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，其特征在于所制得的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料具有優(yōu)異的物理力學(xué)性能和耐久性能，其密度> 150kg/m3，撕裂強(qiáng)度> 600N/m，拉伸強(qiáng)度彡O. 3MPa，粘接強(qiáng)度彡O. 2MPa，斷裂伸長率彡120%，回彈率彡55% ;在701環(huán)境下，試樣壓縮75%，恒壓保持24h后的壓縮永久變形< 15%，阻燃性能達(dá)BI級以上。
9.一種軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料的制造方法，其特征在于制造如權(quán)利I 8中任何一個(gè)所述的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料。
全文摘要
本發(fā)明所提供的軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料，由多元醇、異氰酸酯、催化劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、抗氧化劑、阻燃劑等組分組成，并按一定的比例混合、反應(yīng)而制得。其特征在于多元醇的平均官能度為2～6，平均分子量為3000～10000，且至少有一部分高分子量的聚氧化烯烴多元醇，其分子量為6000～12000。該軟質(zhì)聚氨酯泡沫材料具有高密度、粘接強(qiáng)度、撕裂強(qiáng)度、回彈率，及低壓縮永久變形的特性，適用于鐵路道砟、公路級配碎石等散粒體的柔性固結(jié)。
文檔編號C08G18/48GK102924686SQ201210477290
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者謝永江, 鄭新國, 李書明, 翁智財(cái), 劉競, 曾志 申請人:中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所