本發(fā)明屬于先進(jìn)材料合成制備，具體涉及一種低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫及其制備方法和用途。

背景技術(shù)：

1、硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料(rpuf)是由聚醚(或聚酯)多元醇及多異氰酸酯在發(fā)泡劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑等助劑的存在下反應(yīng)而制得。rpuf在現(xiàn)代工業(yè)和技術(shù)中具有重要作用，在航空航天、海洋工程、船舶運輸、軍事設(shè)備、汽車工業(yè)領(lǐng)域被廣泛研究和應(yīng)用。

2、硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料的密度是影響性能的重要因素，對于抗壓強度而言，其強度與密度的關(guān)系基本符合log(強度)＝loga+b*log(密度)，由公式可知，材料的壓縮強度與密度基本呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，彎曲強度、壓縮模量等性能也可由該公式進(jìn)行預(yù)測。隨著航空航天、深海遠(yuǎn)洋和人工智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對材料輕量化和高強度提出更高的需求。在海洋工程裝備及部件領(lǐng)域，為實現(xiàn)海洋探測器在海水中進(jìn)行探測、觀察以及其他科學(xué)操作，一種低密度、高強度、耐靜水外壓、低吸水率的泡沫材料，對現(xiàn)代海洋深潛技術(shù)必不可少。在航空航天領(lǐng)域，作為結(jié)構(gòu)材料使用時，既需要低密度實現(xiàn)其輕量化應(yīng)用，提高運輸效率并減輕重量，還需對外力作用有較好的承載能力，保持器件形狀、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，保證航天飛行器、衛(wèi)星等航天器的安全性。在可穿戴設(shè)備(如vr眼鏡、智能頭盔等)中，從長時間佩戴設(shè)備、使用過程面臨沖擊、碰撞的情況來看，設(shè)備需要具有優(yōu)異的輕量化效果、高強度，才能保持佩戴的舒適度，同時防止設(shè)備外殼變形或者損傷，延長設(shè)備的使用壽命。在船舶制造領(lǐng)域同樣也需要足夠強度的材料，應(yīng)對海浪的沖擊和碰撞，較低的密度提供足夠的浮力并減輕船舶重量，提高運輸效率，保證船舶安全性。

3、為制得兼具低密度和高強度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料，國內(nèi)外研究學(xué)者開展了大量研究，目前聚氨酯泡沫的密度大多小于50kg/m3，其壓縮強度表現(xiàn)小于0.2mpa，如李琪琪利用碳纖維改性硬質(zhì)聚氨酯泡沫(李琪琪.高發(fā)泡高強度硬質(zhì)聚氨酯泡沫的制備及性能表征[d].天津科技大學(xué),2023.)，以制備高強度硬質(zhì)聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫材料的密度為33.9kg/m3，壓縮強度僅0.20mpa，難以作為結(jié)構(gòu)材料使用，在航空航天、航洋工程等領(lǐng)域應(yīng)用價值較低。朱高峰等以對苯甲酸乙二醇酯為原料，采用一步發(fā)泡法制備得到具有一定強度的硬質(zhì)聚氨酯泡沫(朱高峰,葛明橋,余天石.硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料制備及表征[j].化工新型材料,2017,45(09):207-208+211)，當(dāng)聚氨酯泡沫的密度為109kg/m3時，其壓縮強度為1.36mpa，其輕量化和高強度的應(yīng)用也十分具有挑戰(zhàn)性。

4、因此，為得到具有優(yōu)異抗壓性能、滿足相應(yīng)設(shè)計要求的低密度硬質(zhì)聚氨酯泡沫，增強其壓縮性能十分必要。一般而言，會添加增強材料來提高硬質(zhì)聚氨酯泡沫的壓縮性能，如各種纖維，一般選擇短切纖維(短切玻璃纖維、短切碳纖維等)，但需要考慮纖維的型號、長度、直徑和模量等因素，這些因素會影響纖維在泡沫中的分散情況，降低增強效果。常用的還有粒子填料增強技術(shù)，粒子填料：包括空心玻璃微球、二氧化硅等傳統(tǒng)粒子填料，也可選擇納米材料如石墨烯、納米二氧化鈦等，能較大幅度提升泡沫的壓縮性能。但是粒子填料使用量較大，使得分散性顯著降低，反而會成為材料的缺陷。從交聯(lián)劑種類出發(fā)，能通過更換高官能度(如四官能度)的交聯(lián)劑，在發(fā)泡過程中生成更多的交聯(lián)位點，分子鏈形成更緊密的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高材料的壓縮強度和壓縮模量。但交聯(lián)反應(yīng)會更加復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制交聯(lián)條件，否則會導(dǎo)致泡沫脆性增加。通過調(diào)節(jié)發(fā)泡劑濃度、泡沫穩(wěn)定劑種類和用量，也能控制聚氨酯泡沫的泡孔大小、形狀和分布，提高其壓縮性能。但一定程度上會使密度增大，且過于密集的泡孔會使其隔熱能力下降。因此，現(xiàn)有技術(shù)在增強抗壓性能時，存在制備工藝復(fù)雜、性能權(quán)衡的問題，不利于工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

5、因此，尋找一種簡單的制備方法，制備低密度、高抗壓性能的硬質(zhì)聚氨酯泡沫，是本領(lǐng)域面臨的問題和挑戰(zhàn)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種改性聚氨酯材料及其制備方法，目的在于制備一種低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫。

2、本發(fā)明提供一種低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫，它采用包括如下重量份的原料制備而成：

3、聚醚/聚酯多元醇a75～150份、

4、聚醚/聚酯多元醇b?5～25份、

5、擴(kuò)鏈劑3～24份、

6、交聯(lián)劑5～30份、

7、發(fā)泡劑?0.5～3份；

8、異氰酸酯150～270份；

9、所述聚醚/聚酯多元醇b選自聚丙二醇ppg-400、四氫呋喃聚醚ptmg-650中的至少一種。

10、優(yōu)選的，異氰酸酯指數(shù)r為1～1.25。

11、優(yōu)選的，所述聚醚多元醇a選自4110聚醚多元醇、8345聚醚多元醇、2490聚醚多元醇，聚酯多元醇a選自聚鄰苯二甲酸一縮二乙二醇酯二醇、聚鄰苯二甲酸新戊二醇酯二醇、ps-3512苯酐聚酯二醇。

12、優(yōu)選的，所述擴(kuò)鏈劑選自1,2-丙二醇、乙二醇、1,2-戊二醇、1,2-辛二醇、一縮二乙二醇、4,4-雙仲丁胺基二苯基甲烷、甲苯二胺中的至少一種。

13、優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑選丙三醇、三羥甲基乙烷、二乙醇胺、三乙醇胺、二乙烯三胺中的至少一種；和/或，所述發(fā)泡劑為水。

14、優(yōu)選的，所述異氰酸酯為多苯基多亞甲基多異氰酸酯。

15、本發(fā)明提供上述任一項所述的低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫，它是通過包括如下步驟的方法制備而成：

16、步驟1，聚醚/聚酯多元醇a與聚醚/聚酯多元醇b、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑混合，制得多元醇混合物；

17、步驟2，異氰酸酯與多元醇混合物反應(yīng)，老化即得。

18、優(yōu)選的，步驟1中，所述混合為聚醚/聚酯多元醇a與聚醚/聚酯多元醇b、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、胺類催化劑和抗氧劑混合；

19、聚醚/聚酯多元醇a與泡沫穩(wěn)定劑、胺類催化劑、抗氧劑的重量份比值為75～150:1～4:0.1～1.0:0.5～4；

20、所述泡沫穩(wěn)定劑選自s-6920泡沫穩(wěn)定劑、b8423泡沫穩(wěn)定劑、b8433泡沫穩(wěn)定劑和b8404泡沫穩(wěn)定劑；和/或，所述胺類催化劑為2040催化劑；和/或，所述抗氧劑選自四[β-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸]季戊四醇酯、3硫代二亞乙基雙[3-(3，5-二叔丁基-4-羥基苯基)丙酸酯]、三甘醇雙-[3-(3-叔丁基-4-羥基-5-甲基苯基)丙酸酯]。

21、優(yōu)選的，步驟1中，所述混合為2800～7000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌30～80s；

22、和/或，步驟2中，所述反應(yīng)為異氰酸酯加入多元醇混合物，2800～7000r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌20-25s，混合均勻的物料倒入模具，發(fā)泡180～400s；

23、和/或，步驟2中，所述老化為在20～25℃下固化20-26小時。

24、本發(fā)明提供上述任一項所述的低密度、高優(yōu)異抗壓性能的硬質(zhì)聚氨酯泡沫的制備方法，它包括如下步驟：

25、步驟1，聚醚/聚酯多元醇a與聚醚/聚酯多元醇b、擴(kuò)鏈劑、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑混合，制得多元醇混合物；

26、步驟2，異氰酸酯與多元醇混合物反應(yīng)，老化即得。

27、本發(fā)明還提供上述任一項所述的低密度、高優(yōu)異抗壓性能的硬質(zhì)聚氨酯泡沫用于作為航空航天、海洋工程、船舶運輸、軍事設(shè)備、防護(hù)設(shè)備、汽車領(lǐng)域中的材料的用途。

28、術(shù)語的編號如“a”、“b”僅起到區(qū)分不同術(shù)語的作用，不表示任何優(yōu)先級或排序，對于技術(shù)特征所描述的范圍也不具有限定作用。

29、本發(fā)明提供一種低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫。通過多種特種結(jié)構(gòu)的聚醚和聚酯多元醇的共聚反應(yīng)，實現(xiàn)硬質(zhì)聚氨酯泡沫的特定分子結(jié)構(gòu)設(shè)計，制得一系列低密度、高抗壓硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料。這些材料具有低的密度、優(yōu)異的抗壓性能。此外，本發(fā)明制備的聚氨酯材料還具有良好的抗彎能力、抗沖擊能力、低吸水率、阻尼性能和可加工操作性，在航空航天、海洋工程、船舶運輸、軍事設(shè)備、汽車工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出發(fā)展?jié)摿?，具有很好的?yīng)用前景。

30、本發(fā)明通過使用不同種類聚醚/聚酯多元醇與4110聚醚進(jìn)行共聚反應(yīng)，不需要引入密度高于硬質(zhì)聚氨酯泡沫的填料，不會使密度驟增，影響輕量化應(yīng)用。本方案的一步法成型技術(shù)，僅需要對固態(tài)聚醚/聚酯多元醇進(jìn)行預(yù)熱處理，不需要加入分散劑、改性劑、不使用超聲波分散設(shè)備等，與其他方案相比，生產(chǎn)過程更加簡單，生產(chǎn)效率更高，適合大規(guī)模制備，具有較好的工業(yè)應(yīng)用價值。

31、相較于加入短切纖維后，低密度泡沫與纖維粘結(jié)性能差，無法起到增強作用，而加入長絲纖維，會出現(xiàn)纖維團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致泡沫出現(xiàn)應(yīng)力集中。加入纖維后，聚氨酯泡沫的密度提升，也會對其輕量化應(yīng)用造成影響。從加入粒子增強材料角度看，新型的納米填料如碳納米管、石墨烯，納米粘土等，由于其比表面積較大，需要進(jìn)行表面改性或使用分散設(shè)備，解決其分散性較差的問題。而傳統(tǒng)粒子增強填料，如碳酸鈣和空心玻璃微球，雖然不會對密度造成較大影響，但隨著加入量的提升，原料混合困難，且使用過程中添加量大，提升效果有限，過多加入還會降低性能。在交聯(lián)劑方面，使用高官能度交聯(lián)劑，需要對交聯(lián)劑的種類、用量、反應(yīng)的溫度和時間進(jìn)行嚴(yán)格控制，生產(chǎn)工藝復(fù)雜化，且過度交聯(lián)會降低泡沫的韌性和抗沖擊能力。通過優(yōu)化發(fā)泡工藝，如調(diào)節(jié)發(fā)泡劑的種類和添加量、發(fā)泡溫度控制、各組分間比例、催化劑用量等也能調(diào)節(jié)泡沫孔隙結(jié)構(gòu)和密度，增強壓縮性能，但通常會增大泡沫密度。

32、顯然，根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容，按照本領(lǐng)域的普通技術(shù)知識和慣用手段，在不脫離本發(fā)明上述基本技術(shù)思想前提下，還可以做出其它多種形式的修改、替換或變更。

33、以下通過實施例形式的具體實施方式，對本發(fā)明的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明上述主題的范圍僅限于以下的實例。凡基于本發(fā)明上述內(nèi)容所實現(xiàn)的技術(shù)均屬于本發(fā)明的范圍。