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欧博Allbet:新型环保自发泡式聚羟基氨酯海绵制备工艺,登上顶刊Angew!

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聚氨酯泡沫因其多孔性、比强度高等特性,被广泛运用于日用品的方方面面,特别在家具、床具、运输、冷藏、建筑、绝热等部门使用得十分普遍,已成为不可缺少的材料之一,是塑料中应用范围最广的品种之一。


许多这些聚氨酯泡沫是由活性多元醇和多异氰酸酯聚合制成的。而其多孔结构可以通过PU基体构建过程中由异氰酸酯部分水解原位产生二氧化碳发泡所产生。异氰酸酯水解过程中产生的胺也与异氰酸酯发生反应,形成由脲基团链接的聚合物。因此,生产这种用途广的聚合海绵材料的关键原料是保证聚合物链形成与发泡气体产生的多元异氰酸酯单体。但是对于环境保护政策的越发严格的大背景下,这种剧毒异氰酸酯单体的使用受到了前所未有的严格限制。因此在不使用异氰酸酯的工艺条件下生产出性能优异的海绵聚合物材料成为这一行业亟待解决的问题。


聚羟基氨酯(polyurethanes)属于非异氰酸酯聚氨酯聚合物家族中最有前途的聚氨酯海绵的替代材料。聚羟基氨酯是由多元胺与多环碳酸酯共聚产生的,这种多元环碳酸脂的来源通常为生物基原料或者通过以二氧化碳为原料制备得到。除此之外,也已经发现了这种材料作为涂料、弹性体、水凝胶或胶粘剂/胶的上的多种用途。与传统聚氨酯材料类似,已经由相关文献报道了聚羟基氨酯泡沫的制造也通过使用物理发泡剂(超临界二氧化碳)或原位产生发泡气体的化合物(碳酸钾、柠檬酸等)来实现发泡。因此这种材料有很大希望成为聚氨酯海绵的替代品。但是聚羟基氨酯缺少类似现有聚氨酯海绵那样自发泡的相关研究。

近期,比利时列日大学的Christophe Detrembleur报道了一种可以快速制备水诱导的自发泡式聚羟基氨酯海绵。该工艺主要由多元环状碳酸酯和多胺在催化剂存在下发生部分水解,使得环状碳酸酯来提供刚性或柔性聚羟基氨酯海绵所需要的发泡气体。通过使用现成的低成本起始材料,这种简单而坚固的工艺可以获得更环保的聚氨酯泡沫,有望满足许多行业的可持续性需求。该工作以题为“Water-Induced Self-Blown Non-Isocyanate Polyurethane Foams”的文章发表于Angewandte Chemie上。


聚氨酯泡沫的成分与发泡剂


聚氨酯泡沫是聚氨酯的主要品种,占其总量的70%,在保温隔热领域有非常广泛的应用如冰箱、冰柜的隔热保温,建筑材料的屋顶墙面。聚氨酯泡沫分为硬质聚氨酯泡沫、软质聚氨酯泡沫以及半硬质聚氨酯泡沫,保温性能优异的为硬质聚氨酯泡沫塑料,简称PU硬泡。


硬质聚氨酯泡沫塑料是一种新型的绝热保温防腐的高分子合成材料。它是一种具有闭孔结构的低密度微孔高分子泡沫塑料,集保温和防水功能于一体,与金属、木材、水泥、玻璃等都有很强的粘结性能。


聚氨酯泡沫主要成分为聚氨酯,原料为多异氰酸酯和多元醇,加入适当助剂,最重要的助剂为与发泡相关的一系列发泡助剂,它使得反应产物中生成大量泡沫,从而得到聚氨酯泡沫塑料产品。


传统硬质聚氨酯泡沫一般采用低沸点烃类化合物氟氯烃作为发泡剂,但研究发现该类化合物是破坏地球臭氧层的元凶,因此全水发泡技术受到人们青睐,水发泡无毒、安全、臭氧层破坏效应为0,是最具环保价值的发泡剂。


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硬质聚氨酯泡沫极低的导热系数使其绝热性能远远优于其他塑料,期待在未来有更广泛的应用。但发泡剂的选择依然十分关键,采用更环保的技术代替氟氯烃,如CFC替代技术和全水发泡技术。另外,对硬泡聚氨酯泡沫的力学性能、阻燃性能、老化性能的研究进一步改善其性能,拓宽其应用领域。


聚羟基氨酯海绵合成反应研究


合成聚羟基氨酯海绵的关键在于控制环碳酸酯基团与氨基的反应速率和水解反应的反应速率。因此研究了不同催化及和水含量的条件下的反应动力学。环碳酸酯的氨解必须略快于水解,可以形成的聚合物材料才可以很容易地扩展和捕获二氧化碳气泡,形成海绵状。

通过一系列小分子间的反应,进而研究环碳酸酯的水解反应与环碳酸酯与胺基的反应速率,通过反应动力学研究表明,可以通过调节含水量可以很容易地控制二氧化碳的形成,同时不影响任何反应条件下的下环碳酸酯与氨基的快速反应。因此可以实现可控地合成聚羟基氨酯海绵。

聚羟基氨酯海绵合成和扩大化生产潜力


在配方中添加了一种市场上常用的合成粘土(水滑石,12 wt%vs TMPTC),因为粘土填料可以作为成核剂,从而增加海绵气室的密度,减少气室大小,改善泡沫的均匀性。通过对比,市场上常用的成核剂也可以很好地作用于聚羟基氨酯海绵的合成,制备了孔洞尺寸均匀的海绵材料,并对海绵的力学性能做出了评价。

在传统聚氨酯泡沫成型的过程中,通常采用封闭模具中的反应注塑(RIM)工艺。这种工艺主要用于工业环境,生产预先确定(复杂)形状、密度和尺寸的聚氨酯泡沫材料,如汽车座垫的柔性泡沫。在这个过程中,单体在经过混合后在泵入模具中发泡成型,海绵然后发生在模具腔内。因此,为评估这一项发泡技术的潜力,通过在自制的圆形不锈钢封闭模具中来这封闭模具中的反应注塑工艺(RIM)。通过实验。在封闭的模具中成功产生孔径稍小的聚羟基氨酯海绵。这说明了这种快速发泡过程易于扩大,可以用传统聚氨酯海绵相应设备实现这种新的工艺。


小结:该工作提供了一种简便、快速、坚固和通用的方法制备水诱导自发泡非异氰酸酯聚氨酯海绵,并且模拟传统的工业聚氨酯发泡工艺,证明工艺可以在现有聚氨酯发泡设备中实现。在模型反应的帮助下,我们发现通过碱催化剂(如DBU或氢氧化钾)加入水,在80-100°C的温度范围内有效地水解5元环碳酸酯,可以作为单体的同时也作为一种有效的发泡剂。我这种新工艺提供了一种更环保的聚氨酯海绵替代方案,采用非常简单的配方,有可能与现有的发泡基础设施兼容,可以作为许多行业需求的下一代可回收海绵。


来源:高分子科学前沿、 高分子物理学

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