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稻壳和咖啡渣填充的高稳定性、高压缩模量的低异氰酸酯的聚氨酯泡沫

时间：2023-08-30 来源： 浏览：

稻壳和咖啡渣填充的高稳定性、高压缩模量的低异氰酸酯的聚氨酯泡沫

生物基能源与材料
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聚氨酯泡沫是一类刚性、密度、耐久性广泛可调的材料，在日常生活中发挥着重要作用，比如在包装、家居、建筑保温等领域。但是目前聚氨酯泡沫的原料主要为不可再生的石油基衍生物，如多元醇和异氰酸酯，同时生成过程中涉及到有毒化学物质的使用，因此迫切需要开发更绿色的替代品。 从植物和农业废弃物中获取原材料为聚氨酯基泡沫提供了更可持续的途径。蓖麻油(CO)是一类天然具有平均为3的官能度羟基的植物油，可以在未修饰的情况下进行反应交联，是一种特别有前景的多元醇替代品。对于异氰酸酯来说，目前的异氰酸酯替代品并不能完全满足工业要求，因此降低泡沫配方中的异氰酸酯浓度以提高安全性和降低成本具有重要意义。
最近， Iowa State University的Keith Vorst和Shan Jiang等人以稻壳和咖啡渣为填充相制备100%生物基蓖麻油和颗粒含量高达30wt %的复合聚氨酯泡沫，并进一步探究了颗粒类型和研磨对泡沫性能的影响。 同时为了避免常见的坍塌问题，作者设计了一个预聚合步骤，可以在膨胀后持续产生零体积损失的高质量泡沫。
相关内容以题为“Low-Isocyanate Polyurethane Foams with Improved Stability and Compression Modulus Prepared from Biosourced and Landfill-Diverted Materials”发表在《ACS Applied Polymer Materials》上。
/ 复合聚氨酯泡沫的制备 /
在聚氨酯泡沫的制备过程中，作者通过加入高活性的催化剂、增加预聚合步骤以及提高固化温度来缓解泡沫冷却过程中的坍塌问题。具体制备过程如下：将适量蓖麻油、稻壳(RH)和咖啡渣(CC)、表面活性剂、催化剂混合均匀，然后加入一定量的HDI和MDI，室温下继续反应，并不断搅拌30 min以得到预聚体；接着依次向预聚体中加入水和剩余的HDI和MDI混合均质，并在室温下发泡10min；最后将在模具内部的泡沫置于烘箱中固化，直至试样从模具中取出，无损伤、无收缩。
图1 聚氨酯泡沫的制备示意图
/ 复合聚氨酯泡沫的压缩性能 /
加入生物基填料的主要原因是获得与高异氰酸酯泡沫相当的刚性，因此作者测试了0.75 NCO异氰酸酯指数、负载不同填料聚氨酯泡沫的压缩模量，并与1.0 NCO聚氨酯指数作为对照组。结果表明，含有20%CC填充的0.75 NCO的聚氨酯泡沫具有与1.0 NCO指数泡沫相竞争的模量。对于RH填充的聚氨酯泡沫，其压缩模量随着负载有增加的趋势，直到30%时发生下降。当颗粒浓度较低时，RH和CC颗粒就可提供增强作用，特别是当颗粒-聚合物界面具有较强的黏附性时。随着颗粒浓度的增加，力学性能也随之增加。当颗粒浓度增加到30 wt%时，大的聚集体开始形成，颗粒-颗粒界面可能更容易发生滑移，导致RH和CC泡沫的模量降低。
而对于细稻壳（FRH）来说，聚氨酯泡沫的压缩模量直到30%时才开始增加。这说明在不显著改变力学性能的情况下，可以添加多达20 %的精细填料，降低柔性泡沫的成本，而在30 wt%含量下，其模量显著增加，这意味着仍可实现更刚性的泡沫。
图2 不同负载聚氨酯泡沫的压缩模量
/总结/
本文开发了生物基复合聚氨酯泡沫，在相同的异氰酸酯浓度下，生物填料的加入使泡沫压缩模量大幅提高，达到400%。 因此，在不增加异氰酸酯用量的情况下，生物填料的掺入提供了一种增强力学性能的机制。此外，通过研磨和筛分可以进一步提高重现性和泡沫性能 。 更细的颗粒可以被加载到更高的水平，而不会对力学性能产生负面影响。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsapm.3c01536
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