玉米秸秆碎粉填充聚氨酯泡沫隔热塑料的研究及应用

玉米秸秆碎粉填充聚氨酯泡沫隔热塑料的研究及应用 玉米秸秆碎粉填充聚氨酯泡沫隔热塑料的 研究及应用 郑水蓉,等:E米秸秆碎粉填充聚氨酯泡沫隔热塑料的研究及』,J}j47 玉米秸秆碎粉填充聚氨酯泡沫隔热塑料的研究及应用术 郑水蓉何武全张聪莉王熙郑高锋李铁虎 (1.两北工业大学婵学院应用化学系,两安710072;2.匹北农林科技大学,杨凌712100;3.两北工大学材料学院,西安710072) 摘要采用玉米秸秆碎粉填充聚氨酯(PUR)泡沫塑料,研究了玉米秸秆碎粉的含量,粒径对PUR泡沫塑料的密 度和压缩强度的影响,并对其导热性能进行了研究.结果明,玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫板的性能与未填充PUR 泡沫板的性能相当,但成本相对较低;玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫板可用作渠道防渗保温材料. 关键词玉米秸秆聚氨酯泡沫隔热塑料 在我国北方,玉米秸秆是主要的农副产物.在 传统的农业_牛产方式中,农民消费或出售的仅是产 品中的可使用部分如玉米,大部分玉米秸秆被废弃 或用不正确的方式(如燃烧)使用?.,既浪费资源, 又污染环境.有关如何充分利用玉米秸秆的报道很 多,主要有用硫酸催化液化制作多元醇,作动物 饲料?等,用玉米秸秆碎粉填充聚氨酯(PUR)泡沫 隔热塑料的研究报道较少.高振华等.在中国发 明专利200810064284中提及了有关秸秆填充PUR 泡沫塑料等. PUR泡沫塑料广泛用于包装,缓冲,隔热等领 域.通过加人填料可以大幅降低泡沫塑料的成本. 相比之下,若是在水利设施,桥梁等方面作为隔热, 缓冲方面的应用,其成本还是可以再降低的.用玉 米秸秆碎粉填充PUR泡沫塑料不但可以降低成本, 也能充分利用农业生产的废弃物,减少丢弃或者焚 烧这些废弃物对环境造成的污染. 1实验部分 1.1主要原材料 玉米秸秆碎粉:分为0.45mm以下,0.45,1.5 mm,1.5,4mm三种粒径规格,干燥后用饲料粉碎 机粉碎过筛分级,陕西户县; 聚醚多元醇:N一303,ZS一1618A,工业品,南京 钟山化工有限公司; 异氰酸酯:M一200,工业品,日本三井武田化学 株式会社; 催化剂,发泡剂,泡沫稳定剂,防老剂等:市售. 1.2主要设备,仪器 电子拉力试验机:CMT7204型,深圳新三思材 料检测有限公司; 蓄热系数测定仪:XRY—lI型,湘潭市仪器仪表 有限公司; 双平板导热系数测定仪:ImDRY300X型,天津 英贝尔科技发展有限公司. 1.3试样制备 取40gN一303与ZS一1618A混合的聚醚多元 醇于反应模具中,依次加入适量的发泡剂,催化剂, 泡沫稳定剂,防老剂,加入定量的玉米秸秆碎粉搅拌 均匀,再加入50gM一200迅速搅拌均匀,在模具中 静置发泡30min,然后将其放人烘箱中于110, 120~C下固化lh,冷却脱模,即得玉米秸秆碎粉填充 PUR泡沫隔热塑料试样. 1.4性能测试 相对密度按GB2413—1981测试; 压缩强度按GB/T8813—2008测试; 尺寸变化率按GB/T8811—2008测试; 导热系数按GB/T10801.1—2002测试; 蓄热系数按JGJ51—2002测试. 2结果与讨论 2.1玉米秸秆碎粉对PUR泡沫塑料压缩强度的影 响 (1)粒径 笔者将玉米秸秆碎粉分为0.45Into以下,0.45 , 1.5Iilm,1.5,4inm三种粒径规格.如果碎粉粒 径减小,则其比表面积就会增大,这样在泡沫塑料中 的填充量就不会很大.而随着粒径增大,碎粉比表 面积相应的减少,其填充量也就可以相应的加大. 图1所示为在其它因素不变的情况下玉米秸秆碎粉 质量分数为30%时其粒径的变化对PUR泡沫塑料 变形50%时压缩强度的影响.从图1可以看出,玉 米秆秸碎粉的粒径有必要控制在一定的范围内,粒 径过大或者过小,则会造成玉米秸秆碎粉在泡沫塑 料中的增强效果不明显.当玉米秸秆碎粉的粒径在 0.45,1.5mm时,泡沫塑料的压缩强度达到最高. 国家"f'一五"科技支撑汁划支持项目(2006BADI1B03) 收稿}=j期:2009—12-18 48塑料应用2010年,第38卷,第2期 当然也可以通过不同粒径的填料复配来进一步提高 泡沫塑料的性能,这些工作还需要继续深入的研究. 酣 \ 魑 嫖 出 O.22 0.21 O_20 O.19 O.18 0.17 0--4).45U.4,1.l5,-4 玉米秸秆碎粉粒径/mm 图1玉米秸秆碎粉粒径对PUR泡沫塑料压缩强度的影响 (2)方向性 泡沫塑料若是在一个半密闭的模具中发泡,那 么在平行于发泡的方向与垂直于发泡的方向其压缩 平行于泡沫塑料发泡方向的压缩强 强度存在差别, 度较垂直于压缩方向的要大一些.这是因为在发泡 过程中气泡会沿发泡方向呈椭圆结构,这种结构势 必造成两个方向压缩强度的差别,平行于椭圆长轴 方向的压缩强度应该大于垂直于椭圆长轴方向的压 缩强度.这种差别也可能是发泡过程造成填料对泡 沫塑料两个方向的增强效果不同而引起的.图2和 图3分别记录了从两个不同的方向对泡沫塑料压缩 时的力一位移曲线. 图2平行于泡沫塑料发泡方向压缩的力一位移曲线 图3垂直于泡沫塑料发泡方向压缩的力一位移曲线 由图2可以看出,在平行于泡沫塑料发泡方向 压缩时,在力一位移曲线上明显出现了试样的屈服 现象.而由图3可以看出,试样的应力要小得多且 屈服现象不明显.这些差别是由于在发泡时,玉米 秸秆碎粉作为填料在体系中会随着泡沫的增长向泡 沫生长方向排列,从而引起两个方向受力状况不同. (3)含量 在同一配方下,研究了同一粒径,不同含量的玉 米秸秆碎粉对PUR泡沫塑料压缩强度的影响.(2) 中的试验数据表明,平行于泡沫塑料发泡方向的压 缩强度较垂直于泡沫塑料发泡方向的要大一些.压 缩变形10%时玉米秸秆碎粉含量对泡沫塑料压缩 强度的影响如图4所示. 山 羔 \ 爱 姆 玉米秸秆砰粉质量分数/% 1—平行于泡沫生长方向;2—垂直于泡沫生长方向 图4玉米秸秆碎粉含量对PUR泡沫塑料压缩强度的影响 由图4可以看出,随着玉米秸秆碎粉含量的增 大,其压缩强度逐渐减小.当质量分数大于70% 时,玉米秸秆碎粉在PUR中的分散性和发泡效果变 得很差,气泡在泡沫塑料中的分布及气泡的大小也 不均匀.从图4也能看出,由压缩受力方向的不同 而造成压缩强度的差别是很明显的,所以应该在应 用中注意这样的差别. 2.2玉米秸秆碎粉对PUR泡沫塑料密度的影响 (1)粒径 在玉米秸秆碎粉含量不变的情况下,研究了不 同的粒径对PUR泡沫塑料密度的影响,如图5所 一 ? 不n n g ? \ 黼 图5玉米桔卡f砰粉粒径对PUR泡沫塑料密度的影响 从图5可以看出,随着玉米秸秆碎粉粒径的增 大,泡沫塑料的密度逐渐减小.这是因为粒径较大 的碎粉由于其空间位阻,在发泡过程中会在内部形 成较大的孔隙;而粒径较小的碎粉则堆积的比较紧 密,从而使粒径大的碎粉填充的泡沫塑料密度反而 降低.大的孔隙也是粒径较大的碎粉填充的泡沫塑 料压缩强度不高的一个原因.应用中可以通过不同 大小粒径的复配技术,以达到既能增加碎粉的含量, 郑水蓉,等:玉米秸秆碎粉填充聚氮酯泡沫隔热塑料的研究及应用49 也能提高泡沫塑料力学性能的目的. (2)含量 在其它条件不变的情况下,讨论了粒径为1.5 , 4mm的玉米秸秆碎粉的含量对PUR泡沫塑料密 度的影响,如图6所示. 暑 ? \ 浆 玉米秸秆碎粉质量分数/% 图6玉米秸秆碎粉含量对PUR泡沫塑料密度的影响 从图6可以看出,随着玉米秸秆碎粉含量的增 大,泡沫塑料的密度呈现逐渐增大的趋势. 2.3玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫板的优势和成本 控制 综上所述,笔者将玉米秸秆碎粉质量分数定为 30%,粒径取0.45,1.5mm,控制发泡成型后的密 度为(58-4-2)kg/ITI,比较了玉米秸秆碎粉填充 PUR泡沫板前后的性能,如表1所示. 表1玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫板前后性能的比较 项目未填充PUR泡沫板填充PUR泡沫枥 密度/kg?113.5O58 50%变形时的压缩强度/2l0220 kPa 尺寸变化率(一40,70~E)/?0.4?0.3% 导热系数/W?(II1?K)0.03300.0466 从表1可以看出,玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫 板的导热系数与密度稍高于未填充PUR泡沫板,压 缩强度比未填充的略大,尺寸稳定性相对较好.其 综合性能与未填充PUR泡沫板的性能相当.但填 充PUR泡沫板相对便宜,节约了成本,且利用了一 部分废弃的玉米秸秆,减少了环境污染. 对PUR泡沫塑料主要原料的价格进行估算:N 一 303为13500元/t,ZS一1618A为9800元/t,M一 200为35000元/t.以玉米秸秆碎粉质量分数为 30%计算,由配方算得玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫 塑料的成本为20000元/t.按市价硬质PUR泡沫 塑料的价格25000t来算可以节约25%的成本. 如需进一步降低成本,可从以下两方面考虑:?控制 所使用的玉米秸秆碎粉的粒径,过小或者过大都不 利于性能的发挥和成本的降低,所采用的途径就是 对粒径进行分级,必要的时候进行不同粒径的复配. ?在选择粒径的基础上尽量提高玉米秸秆碎粉的含 量.试验发现,通过一定的工艺,可以大大提高玉米 秸秆碎粉的含量.例如,将树脂配成胶,如能迅速均 匀的喷涂到填料的表面,而不是经过搅拌,这样既可 以节约树脂的量,也能减少填料对树脂的吸收造成 的浪费,这样可以使玉米秸秆碎粉的质量分数提高 到60%甚至70%,从而使成本能大幅度降低. 2.4应用研究 笔者制备的玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫塑料 可用作渠道防渗保温材料,该保温材料是应用在水 渠地基的三合土层与水泥砂浆层之间,其与水泥沙 浆层的热工参数见表2. 表2水泥沙浆层与玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫塑料的热工参数 填充PUR泡沫项目水泥砂浆层E4 一保温层 厚度6/m0.020占 导热系数A/W?(Ill?K)0.930O.0466 热阻R/m?K?W0.022?,0466 蓄热系数S/W?(II1?K)11.3700.380 热惰性指标D0.250(6×0.380)/0.0466 注:R=6/A;D=6S/A. 从表2可以看出,玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫 塑料的导热系数仅为水泥沙浆层的二十分之一,因 此能够满足渠道防渗保温材料的使用要求.在应用 中,填充PUR泡沫保温层施工厚度依据使用地区 及工程要求的D值计算确定.陕西西安周边地区 一 般用0.020,0.025m厚在车间成型好的PUR泡 沫板作渠道防渗保温材料. 3结论 (1)玉米秸秆碎粉粒径为0.45,1.5ml/1,质量 分数为30%时,其填充的PUR泡沫塑料板的综合性 能较好. (2)用玉米秸秆碎粉填充PUR泡沫塑料板的性 能与未填充的PUR泡沫板的性能相当,但成本相对 较低,在满足工程使用要求的同时,还可节约成本, 保护环境. 参考文献 [1]邱硕,田峰,侯淑娜.玉米秸秆综合利用的途径及对策[J].农 业机械,2009(6A):73. 植物型软质聚氯酯泡沫制备及缓冲性能研究[J].包 [2]王高升. 装工程,2007,28(3):34—36. [3]高振华,邸明伟.作物秸秆一聚氨酯泡沫复合材料及其制备方 法:中国,200810064284[P].2008~8—27 [4]沈春林,周俊,李芳,等.聚氨酯防水保温材料的与施工 [c]?中国重庆首届化学灌浆与防水堵漏,裂缝技术控制研 讨会文集.重庆:中国硅酸盐学会防水材料专业委员会,2006. 舳加:合印? 50工程塑料应用2010年,第38卷,第2期 APPLICATIoNANDRESEARCHoFCORNSTALKBRoKENPOWDERFILLEDPoLY URETHANE FoAMINSULATIoNPLASTIC ZhengShuirong,HeWuquan,ZhangCongli,WangXi,ZhengGaofeng,LiTiehu' (1.DepartmentofAppliedChemic~,FacultyofScience,No~hwestemPolytechnicalUniver sity,Xi'an710072,China; 2.NoahwestemAgricultureandForestryPolyteehniealUniversity,Yangling712100,China; 3.FacultyofMaterials,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi'an710072,China) All;STRACTPolyurethane(PUR1foamwasfil1edbycornstalkbrokenpowder.Theeffectsofcontentandparticlesizeofcorn stalkbrokenpowderondensityandcompressivestrengthofPURfoamwerestudied,andtheheatconductionperformanceofPURfoam wasresearched.TheresultsshowedthattheperformanceofcornstalkbrokenpowderfilledPURfoamboardwasequivalentwithon— filledPURfoamboard,butthecostwasrelativelycheap.Thecornstalkbrokenpowderfilledpolyurethanefoamboardcouldbeusedas anti-seepageinsulmionmaterialforcanals. KEYW0RDScornstalk,polyurethanefoam,heatinsulationplastic 2015年东南亚复合材料将占全球半壁江山 据有关资料显示,世界复合材料将以年均6%的增速发 展,而亚洲则以每年两位数增长,亚洲复合材料占世界比例 会从目前的36%增长到2015年的46%. 我国是亚洲复材增长最快,最大的生产和消费国,风能, 大型飞机,汽车工业,建筑业,造船,环保等成为市场的主导 力量.我国的大市场吸引了国外一些知名复合材料企业入 住,例如Hexcel,Gruit,Vestas,RTP,Alcan,Menzolite,空客, Samtechap,Huntsman等,纷纷在中国建厂或扩产,均取得良 好的效益,Vestas宣称已接100套风电叶片订单. 我国台湾省复合材料产业相当发达.其铜箔基板 (CCL),碳纤维增强塑料(CFRP)产品,特别是碳纤维(CF) 制造的自行车举世闻名.另外还开发了如燃料电池双极板, 地下贮油罐,轨道车件,精密轴辊等. 日本是复合材料强国.尽管其玻璃纤维(GF)产量多年 来稳定在30万t上下,但日本是世界CF主要生产国,每年 生产的纤维增强热固性树脂基复合材料(FRSP)为36万t, 纤维增强热塑性树脂基复合材料(FRTP)为32万t,制品应 用多样而且水平较高. 日本十分重视纤维增强塑料(FRP)在工程方面的应用, 包括污水处理池等环卫应用和板材等结构件,以及复合材料 在汽车上的应用.目前他们正致力于新型热致复合材料和 纳米复合材料,复合材料保护层与衬层,以及复合材料在飞 机,航空航天应用的研究. 韩国在复合材料微观力学,寿命预测,风机叶片全压静 力试验和声发射检测等基础性研究,耐蚀乙烯基酯树脂及摆 式列车复合材料车辆外壳上有长足发展,从复合材料基础研 究到应用,韩国复合材料产业水平相当高. 印度进入本世纪来复合材料产业发展较快.前几年市 场增长率为16%,预测至2010年年增长率仍在15%左右. 印度的风电产业居亚洲领先地位,天然纤维复合材料发展成 效显着.近些年印度十分注意交通方面的复合材料应用开 发,例如汽车用产业织物和长纤维增强聚丙烯(PP—L不)应 用,列车FRP水箱等. 新加坡复合材料产量不大,目前正计划筹建满足航空航 天用的先进复合材料工厂.泰国,马来西亚,越南等国复合 材料方兴未艾,我国一些企业在那里找到了市场. (建材报) 两种新型聚丙烯树脂问世 为满足在高透明和高流动性应用领域中不断增长的客 户需求,13前,利安德巴塞尔和大林工程公司的合资企业 PolyMirae公司开发了两种新型聚丙烯(PP)树脂——Clyrell— RC5003和MoplenRP500. 与普通无规共聚PP相比,MoplenRP5007树脂的流动 性,光泽,耐冲击性能更好,可使加工温度降低lO,20?,并 提高注射速率,缩短冷却时间,可用于对抗划伤能力要求较 高的薄壁件注塑. ClyrellRC5003树脂为聚丙烯共聚物,具有高光泽性,透 明性和流动性.与现有无规共聚PP相比,在进行一步法或 两步法注射拉伸吹塑加工时,该树脂可提高制品的力学性能 和透明度.因此,在家用设备和家用器皿方面,Clyrell— RC5003树脂有替代传统聚合物,如聚碳酸酯,聚对苯二甲酸 乙二酯和(苯乙烯/丙烯)共聚物等的潜力.(中塑网) 帝斯曼推出高性能生物工程塑料EcoPaXX 近日,帝斯曼工程塑料推出以聚酰胺(PA)410为基础的 高性能生物工程塑料EcoPaXX. EcoPaXX是一种绿色环保的生物材料:约70%的聚合 体基料含有源于可再生资源蓖麻油中的基础成分;在整个产 品生命周期中呈100%碳中性,在生产制造该聚合物的过程 中所产生的二氧化碳能够被蓖麻子在生长过程中所吸收的 二氧化碳完全抵消,而且生产蓖麻油不会对食物链造成不利 影响. EcoPaXX是一种具有卓越力学特性的高性能PA,不仅 熔点高达约250~C,且由于较高的结晶速率而可带来高的生 产效率.这种材料吸湿性低,在湿态条件下依然能够保持良 好的强度和刚性,并具有出色的抗水解和耐化学药品性能, 适用于汽车,电气等多种对材料具有严格要求的场合. (中聚网)