專利名稱：含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡材料及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高分子聚合物材料，特別涉及一種新型聚氨酯發(fā)泡材料，其中含有一定比例的天然纖維，本發(fā)明還涉及其制造方法。
聚氨酯為熱固性塑料，聚氨酯泡沫塑料是日常生活領域中應用最廣的聚合物材料，已知在聚氨酯泡沫塑料中96％以上的空間都被泡體占據(jù)，因而具有了質(zhì)輕、容重小、省料、比強度高、導熱系數(shù)小、隔音和隔熱性能好，且耐油、耐寒、耐磨、防震、能吸收沖擊載荷、緩沖性能等優(yōu)良特性，也因此被廣泛應用于家具、床墊、座墊、衣襯、包裝材料、過濾材料、吸音及防震設備中，并廣泛應用于化工、軍工、儀表、冷藏及保溫材料。
導熱系數(shù)是聚氨酯泡沫塑料的一個重要特性，由于聚氨酯泡沫塑料中含有大量氣泡，這些閉孔氣泡間又相互隔離，從而使氣體在其中的對流傳熱能力很差；而輻射熱能又是透過泡體的氣體層傳遞的，其傳遞能力主要由塑料對紅外線的吸收系數(shù)、泡孔大小、泡體形狀和氣相容積率等因素決定，因聚氨酯塑料的紅外線吸收系數(shù)較高，且氣相容積很大，所以它的輻射傳熱能力也很差；另，根據(jù)泡沫塑料的熱導量公式Q=AΔTX[Φg·Kg+(1-Φg)Ks]]]>其中Q-熱導量，X-泡沫塑料厚度，A-傳熱面積， Φg-氣相容積率，ΔT-總溫差， Kg-氣體熱導率，Ks-塑料熱導率，由上述公式可知，隨著氣相容積率的增加，泡體的導熱能力大大下降，另外，我們知道，氣體的熱導率在80～100J/(m.h.k)，當氣泡占據(jù)了制品96％以上的空間，聚氨酯泡沫塑料的熱導率就由氣體的熱導率所決定了。因此，聚氨酯泡沫塑料的熱導率也就在80～100J/(m.h.k)左右，人們就是利用了這一特性，將其制作成各類保溫材料的。
從另一方面來講，熱導率低、傳熱差，是泡沫塑料的一個重要優(yōu)點，在特定使用條件下，也成為它的一大缺點，例如用聚氨酯泡沫塑料制作床墊、座墊、枕芯、鞋底等用品，因為舒適、柔軟和有彈性，已很普遍，但因熱導率低、傳熱差、積溫高，在夏季使用就會使人因不透氣而難以忍受，隨著生活水品的提高，人們也日益注重生活質(zhì)量，尋找和研制一種既能保持聚氨酯泡沫的柔軟舒適，又具有天然材料良好的導熱透氣性的替代材料，將具有很好的實用性。
為解決聚氨酯泡沫塑料的傳熱問題，業(yè)內(nèi)人士一直在努力，已有報導的改進型材料是通過改變氣泡結構來實現(xiàn)，因為在聚氨酯泡沫塑料中，氣泡結構分為閉孔和開孔兩種，常規(guī)工藝生產(chǎn)得到的都是以閉孔為主，即泡體是封閉的，孤立地分布在制品中，只有塑料是連續(xù)相，導致整個制品的導熱系數(shù)很小，導熱性差；而開孔泡沫塑料中的泡體是破的，氣泡間相互連通，泡體的氣相和塑料各自都是連續(xù)相，流體可以通過氣泡，具有一定的導熱性，但需要特殊的工藝，例如采用完全不同的化工原料，或采用爆破的方法，前述已見報導的改進型聚氨酯泡沫塑料，就是特殊原料的使用，加速聚合反應速度和熱效應，得到以開孔氣泡為主的泡體，借以提高氣體的對流強度，但其只能是改善和提高材料的對流傳熱性，并沒有從根本上解決聚氨酯塑料的傳熱問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種新型聚氨酯發(fā)泡體材料，其中含有一定比例的天然纖維，可適應制作夏季用品的需要。
本發(fā)明的另一個目的是提供了上述含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡體材料的制作方法。
本發(fā)明的目的還在于采用上述材料制作出各種夏季生活用品。
首先，本發(fā)明提供的是一種含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡體，其中含有占該發(fā)泡體總容積20～67％，且熱導率在500J/m.h.k以上的天然纖維材料。
本發(fā)明所述的天然纖維包括熱導率在500J/m.h.k以上的那些天然麻纖維和天然木纖維材料。優(yōu)選的天然麻纖維可以選自天然棕絲、椰絲、麻纖維或蕎麥皮等；天然木纖維則可選自酸枝、紅檀、花梨、鐵木、椴木或雞翅等材料。對于軟質(zhì)泡沫塑料使用麻纖維類，制作硬質(zhì)塑料使用木纖維。
由于本發(fā)明的發(fā)泡體材料中含有總體積20～67％的天然纖維，所以原來由氣泡所占據(jù)的空間大部分被天然纖維所取代，這樣就大大降低了氣相容積率，并使泡沫塑料由原來氣體所決定的熱導率改由天然纖維的熱導率所決定，由于本發(fā)明選擇的天然纖維原料的熱導率均在500J/m.h.k以上，比氣體高出近一個數(shù)量級，當發(fā)泡體中含有了一定量這樣的天然纖維例如棕絲時，其熱導率也就被大大提高了，因而具有了極好的傳熱能力，用其制作如床墊、座墊、枕芯、鞋底等制品在夏季使用，就會感覺既柔軟、有彈性，又涼爽和舒適，所以，本發(fā)明提供的聚氨酯組合發(fā)泡體與目前使用的完全合成的聚氨酯泡沫塑料原料的不同點就在于，其可大幅度降低聚氨酯泡沫塑料的氣相容積率，提高制品的熱導率。從另一方面講，這種天然長纖維的加入，也有助于提高聚氨酯泡沫塑料的機械性能，例如抗拉伸強度，耐撞擊性等。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方案，發(fā)泡體材料中含有總體積40～67％的天然纖維，根據(jù)本發(fā)明的第二個目的，還提供了上述含有天然纖維的聚氨酯組合發(fā)泡體的制作方法，該聚氨酯發(fā)泡體為天然纖維與聚氨酯發(fā)泡體通過二次混合發(fā)泡工藝制成。制作過程包括(1)首先將制備聚氨酯的化工原料進行混合發(fā)泡，所述化工原料包括有常規(guī)的聚醚或聚酯多元醇、異氰酸酯、助劑；(2)令該經(jīng)混合發(fā)泡后的化工原料與天然纖維二次混合并發(fā)泡成型，所述天然纖維的熱導率在500J/m.h.k以上，其含有量占制品總容積的20～67％；(3)熟化。
本發(fā)明采用的原料包括化工原料和天然原料兩種，天然原料包括天然麻纖維材料如天然棕絲、椰絲、麻纖維或蕎麥皮等和天然木纖維材料如酸枝、紅檀、花梨、鐵木、椴木或雞翅等，在最終制品中要求該天然纖維的含有量占總容積的20～67％，優(yōu)選40～67％。本發(fā)明方法包括了二次混合發(fā)泡過程首先是將化工原料混合發(fā)泡，該過程與合成聚氨酯泡沫塑料的常規(guī)發(fā)泡過程基本相同。傳統(tǒng)聚氨酯泡沫塑料的基本組分是聚酯或聚醚的多元醇化合物、異氰酸酯和水，采用不同的配比和不同原料，就可得到不同的聚氨酯泡沫塑料，當采用的多元醇和異氰酸酯官能團的官能度為2～3時，所得到的泡體為線型分子的軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料；當采用的多元醇和異氰酸酯的官能度達到3～8時，則得到的是網(wǎng)狀分子或體型分子結構泡體的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。整個反應發(fā)泡過程包括了異氰酸酯與多元醇反應生成氨基甲酸酯、異氰酸酯與水反應生成脲和作為發(fā)泡劑的二氧化碳以及進一步的縮脲反應，通過交聯(lián)形成體型結構，固化后形成聚氨酯泡沫塑料。
聚氨酯泡沫塑料在發(fā)泡過程中，初始階段是由于聚合物的液體中形成了大量的氣泡核，而氣泡核又迅速膨脹成為發(fā)泡體。所以異氰酸酯與多元醇混合后，先形成低聚合物氨基甲酸酯，而異氰酸酯與水化合后生成脲和C02發(fā)泡劑，物料在打泡機的高速攪拌器和氣液混合裝置作用下，CO2氣體被均勻地分布在聚合物中。在打泡機中，樹脂溶液一方面進行著氣液相混合，另一方面又進行著縮聚反應，當溶液粘性逐步增加時，將會有足夠的強度包住氣體，形成大量氣泡。隨著縮聚反應的繼續(xù)進行，增長的樹脂分子鏈逐步網(wǎng)狀化，液體的粘彈性逐漸增加，而后慢慢失去流動性，使泡體固化成型，最終完成化學反應，形成聚氨酯泡沫塑料。其總體積中，樹脂僅占1/30，也就是說制品96％以上的空間都被氣泡所占據(jù)，因而就有了質(zhì)輕、不易導熱的特性。
對上述的第一步中化工原料混合發(fā)泡過程，本發(fā)明沒有特殊的限定，與目前常規(guī)的生產(chǎn)方法相同，原料主要包括常規(guī)使用的聚醚或聚酯多元醇、異氰酸酯及有關的助劑或添加劑。分別敘述如下
聚醚或聚酯多元醇的選用與泡體的性質(zhì)有關，對于軟質(zhì)泡沫塑料的生產(chǎn)采用官能團較少，羥值官能度為2～3，平均分子量在2000～4800的聚醚或聚酯多元醇，依據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選采用平均分子量在3000～4800的聚醚多元醇；而生產(chǎn)硬質(zhì)泡沫塑料則采用羥值官能度3～8，平均分子量在400～800之間的聚醚或聚酯樹脂。為了使軟質(zhì)泡沫塑料具有高彈性，可選用高活性聚醚樹脂，以使反應加快。
異氰酸酯作為主料之一，在發(fā)泡過程中，與聚醚或聚酯樹脂進行羥基反應形成聚氨酯；與水作用生產(chǎn)二氧化碳發(fā)泡劑；并與水解鹽生成的中間產(chǎn)物反應，使聚合體交聯(lián)、固化成型。與傳統(tǒng)方法相同，本發(fā)明可采用二異氰酸酯，更優(yōu)選的是采用甲苯二異氰酸酯(TDI)，該化合物存在兩種異構體，即2,4-甲苯二異氰酸酯和2,6-二異氰酸酯，通常選用異構比為80/20或60/40的TDI混合體，除以上主料外，根據(jù)需要可選擇性地加入有關的助劑或添加劑，包括催化劑、發(fā)泡劑、泡沫穩(wěn)定劑、交聯(lián)劑等。
催化劑，用以調(diào)節(jié)聚合速率和發(fā)泡速率，有機錫類催化劑可以加速聚合速率，叔胺類催化劑可以加速發(fā)泡速率，所以通常采用的催化劑包括有機錫類催化劑、叔胺類催化劑及其混合體系。常用的有機錫類有三丁基錫乙酸酯、二丁基錫二乙酸酯、辛酸亞錫、二丁基錫二月桂酸酯等；常用的叔胺類催化劑有N-甲基嗎啡啉、三乙胺、三亞乙基二胺、4-甲基-1,3-丁二胺等。
發(fā)泡劑，在天然纖維與樹脂組合發(fā)泡的生產(chǎn)過程中，是以水和二異氰酸酯作用產(chǎn)生的二氧化碳作為發(fā)泡氣體的，由于在水發(fā)泡過程中產(chǎn)生的熱量較多，二氧化碳氣體在泡體中通過的速度較快，從而有利于開孔結構的形成。
泡沫穩(wěn)定劑，采用有機硅泡沫穩(wěn)定劑，作用是降低表面張力，有利于泡體的形成，也由于其乳化作用，使各組分能充分地混合，保證了組合體結構的均勻。
交聯(lián)劑，其目的是使具有線型或支鏈型分子結構的聚合物分子間產(chǎn)生交聯(lián)，由線型結構轉變?yōu)榫W(wǎng)狀和體型結構，以加強制品的機械強度，一般采用胺類交聯(lián)劑。
以上各類化工原料的配比與傳統(tǒng)工藝過程相比無嚴格區(qū)別和限定，以重量份數(shù)計，各組分的配比可以是聚醚或聚酯多元醇100份，二異氰酸酯25～120份，催化劑0.15～0.75份，泡沫穩(wěn)定劑0.5～1.5份，選擇性使用的交聯(lián)劑0.10～0.70份，蒸餾水0.5～3.0份。需要說明的是，上面列出的原料配比及選擇并非本發(fā)明的主要特征，對于本領域的技術人員，基于常規(guī)操作經(jīng)驗和知識可以根據(jù)實際需要設計出不同的配比，進而實現(xiàn)本發(fā)明的制造，所以，上述配比不構成對本發(fā)明的限定。
如前所述，本發(fā)明與目前的公知技術和制品相比，關鍵性的區(qū)別就在于其中含有了20～67％的天然纖維，在操作上是先將化工原料于混合器中充分混合發(fā)泡，然后與天然纖維進行再一次的充分混合，并注入模具中發(fā)泡成型，經(jīng)后期熟化過程即可完成。天然纖維的含有量越高，制成的聚氨酯泡沫塑料的導熱性能就越好，所以根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的方案，天然纖維的含有量占制品總容積的40～67％，實際生產(chǎn)中，操作者應按照要求的體積百分比和具體原料的比重換算出使用的重量。該天然纖維原料包括天然麻纖維和天然木纖維，根據(jù)本發(fā)明，制備軟質(zhì)發(fā)泡體材料時使用天然麻纖維類，而制備硬質(zhì)發(fā)泡體材料時使用天然木纖維。
附

圖1為本發(fā)明方法的生產(chǎn)工藝流程圖。
本發(fā)明方法在操作和設備上均無特殊要求，僅需另增加一個供二次混合用的混合器，如附圖所示，通常將所有化工原料分別放入儲料罐，計量后用泵一次性或部分原料先預混合，送入混合器(1#混合器)，該混合器可以是普通低壓混合器，也可采用高壓混合器，令物料充分混合發(fā)泡；然后將混合好的該化工原料與天然纖維在另一混合器(2#混合器)中進行二次混合后再注入模具發(fā)泡成型。
為使物料完成全部化學反應，對成型后的制品還需進行熟化處理，根據(jù)制品的特性，可以采取熱熟化，也可以采取冷熟化工藝，兩種熟化過程均屬常規(guī)技術范疇，在此不再詳述。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術所具有的優(yōu)點及應用的有益效果如下本發(fā)明是采用天然纖維與多元醇、異氰酸酯及有關助劑經(jīng)二次組合發(fā)泡，制成的含有大量天然纖維的新型聚氨酯材料，在微觀結構中，因為天然纖維取代了原來由氣泡所占據(jù)的大部分空間，降低了發(fā)泡體的氣相容積率，提高了熱導率，所以大大提高了制品的傳熱能力，解決了原來聚氨酯泡沫塑料導熱率低、散熱性差的難題。
另外，在本發(fā)明的組合發(fā)泡體中，由于天然纖維之間填充了大量無規(guī)則又相互交錯的樹脂分子鏈，且樹脂有著很強的粘附力，所以樹脂分子就將原來相互分離的天然纖維連接起來，使天然纖維與天然纖維、天然纖維與樹脂分子鏈之間形成交聯(lián)網(wǎng)，它們之間相互傳遞應力作用，從而使本發(fā)明新型聚氨酯發(fā)泡體具有了更強的抗彎曲、抗拉伸及抗壓縮能力。
由于采用了天然纖維與樹脂的組合發(fā)泡工藝，使新材料具有了天然纖維與原來聚氨酯泡沫塑料的雙重特性，即，既有柔軟性和彈性，又有高熱導率、散熱快的特性，尤其適合制作既要求柔軟，又希望散熱快、不積溫的生活用品，例如供夏季使用的床墊、座墊、沙發(fā)墊、枕芯及拖鞋、涼鞋的鞋底等，以枕芯為例，目前市場上的枕芯主要是聚氨酯泡沫塑料枕芯、鴨絨枕芯和多孔杜邦棉枕芯，它們雖然有彈性，且柔軟、輕便，因傳熱能力差，在夏季使用會使人感到燥熱難忍，尤其是老年人夏季不愿意在空調(diào)環(huán)境睡覺，若使用上述枕芯必須配上涼枕席，這樣一軟一硬會使人感到很不舒服，而傳統(tǒng)的蕎麥皮枕雖然傳熱快，不積溫，具有涼爽舒適的特點，但因其松散不定型，沒有彈性，缺乏柔軟性，也不十分理想。諸如床墊、座墊、沙發(fā)墊等墊類目前都是用軟質(zhì)泡沫塑料制成，也存在上述缺點。
以下通過具體實施例詳細說明本發(fā)明的實現(xiàn)。
實施例1原材料配方(以重量份計)三羥基聚醚樹脂羥值47～56(mgKOH/g),100份；甲苯二異氰酸酯純度＞99.5％，異構比80/20TDI 30份，三乙烯二胺交聯(lián)劑氨含量＞98％0.15份，辛酸亞錫催化劑相對密度1.27(20℃)0.22份，水溶性硅油相對密度1.03，粘度1.200±0.1Pa.s，羥值＜4 0.8份，蒸餾水；2.0～3.0份，天然棕絲用量占總體積的50％。
化工原料均置于儲料罐中，通過計量泵輸入1#低壓混合器，混合器內(nèi)配有螺旋式攪拌器，物料充分攪拌混合后送入2#低壓混合器，將經(jīng)換算稱量的天然棕絲亦送入2#混合器，充分攪拌形成均勻混合體，注入模具成型。
混合體采用熱熟化工藝模具溫度控制38℃，在3分鐘內(nèi)將模具升溫至177℃，并于121～177℃保持12分鐘，使其熟化，脫模后將制品在常溫下放置24小時，完成后熟化。
該制品可用于制作軟質(zhì)聚氨酯床墊。
實施例2原材料配方(以重量份計)聚醚樹脂平均分子量4800,100份；甲苯二異氰酸酯異構比60/40TDI 39份，三乙胺0.4份，三乙醇胺1.0份，三乙撐二胺0.2份水溶性硅油1.0份，蒸餾水2.5份，天然椰絲用量占制品總體積的60％，
原料的混合過程同實施例1，混合體注模后采用冷熟化工藝，放置成型，產(chǎn)品可用于制成椰絲聚氨酯泡沫枕。
當采用麻纖維和蕎麥皮時，可分別用于制成麻纖維聚氨酯泡沫枕和蕎麥皮聚氨酯泡沫枕。
實施例3原材料配方(以重量份計)聚醚樹脂平均分子量3000,100份；甲苯二異氰酸酯46.4份，三亞乙基二胺催化劑0.3份，三乙胺0.4份，非芳香族胺類交聯(lián)劑0.6份有機硅泡沫穩(wěn)定劑1.0份，蒸餾水3份，占總體積50％的天然棕絲。
操作工藝同實施例2，得到的制品可用于加工高彈性聚氨酯座墊。
實施例4原材料配方(以重量份計)聚酯多元醇平均分子量約800,100份；甲苯二異氰酸酯114份，胺系列催化劑0.5份，有機硅泡沫穩(wěn)定劑1.5份，蒸餾水3份，占總體積40～50％的酸枝纖維。
操作工藝同實施例2，得到含有天然木纖維的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，用于制作硬拖鞋、涼鞋鞋底及夏季飾物、小擺件制品等。
權利要求
1.一種含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡體，其特征在于，其中含有占該發(fā)泡體總容積20～67％，且熱導率在500J/m.h.k以上的天然麻纖維或天然木纖維材料。
2.權利要求1所述的聚氨酯發(fā)泡體，該熱導率在500J/m.h.k以上的天然麻纖維或天然木纖維材料的含有量為發(fā)泡體制品總容積的40～67％。
3.權利要求1或2所述的聚氨酯發(fā)泡體，其中，該天然麻纖維選自天然棕絲、椰絲、麻纖維或蕎麥皮；天然木纖維選自酸枝、紅檀、花梨、鐵木或椴木。
4.前述任一權利要求所述的聚氨酯發(fā)泡體，該聚氨酯發(fā)泡體為天然纖維與聚氨酯經(jīng)二次混合發(fā)泡制成。
5.一種含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡體的制造方法，其包括(1)首先將制備聚氨酯的化工原料進行混合發(fā)泡，所述化工原料包括有聚醚或聚酯多元醇、異氰酸酯、助劑；(2)令該經(jīng)混合發(fā)泡后的化工原料與天然麻纖維或天然木纖維材料二次混合并發(fā)泡成型，所述天然纖維的熱導率在500J/m.h.k以上，其含有量占發(fā)泡體制品總容積的20～67％；(3)熟化。
6.權利要求5所述的制造方法，其中，使用天然麻纖維制備軟質(zhì)發(fā)泡體材料，使用天然木纖維制備硬質(zhì)發(fā)泡體材料。
7.權利要求5或6所述的制造方法，其化工原料中，制作軟質(zhì)泡體時選用平均分子量在2000～4800，羥值官能度為2～3的聚醚或聚酯多元醇；制作硬質(zhì)泡體時，選用平均分子量在400～800，羥值官能度為3～8的聚醚或聚酯多元醇。
8.權利要求7所述的制作方法，其中，制作軟質(zhì)泡體時選用平均分子量在3000～4800的聚醚多元醇。
9.利用權利要求1的含有天然纖維的聚氨酯發(fā)泡體制成的生活用品。
10.權利要求9所述的生活用品，包括適于夏季使用的床墊、座/靠墊、枕芯、鞋底、拖鞋、飾品或擺件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種含有天然纖維的新型聚氨酯發(fā)泡體及其制造方法。該發(fā)泡體中含有總體積20～67%的天然纖維原料,在制造方法中采用天然纖維與聚氨酯二次混合發(fā)泡,其可大幅度降低聚氨酯泡沫塑料的氣相容積率,提高制品的熱導率,同時提高了聚氨酯泡沫塑料的機械性能,尤其適合制作夏季使用的如床墊、座墊、枕芯、鞋底等制品。
文檔編號C08L75/00GK1324893SQ0010625
公開日2001年12月5日 申請日期2000年5月19日 優(yōu)先權日2000年5月19日
發(fā)明者趙根普 申請人:趙根普, 江雪平