聚氨酯仿木材料生產(chǎn)用填料的選擇

20世紀(jì)30年代，自20世紀(jì)30年代出版以來(lái)，用氨基泡沫塑料薄膜的出現(xiàn)，即用氨基材料的出現(xiàn)。近年來(lái),為了解決木材短缺問(wèn)題,聚氨酯硬質(zhì)發(fā)泡仿木材料成為研究熱點(diǎn),并在高檔出口家具和室內(nèi)裝飾中迅速推廣。目前,在我國(guó)家具生產(chǎn)中,常用的是較高密度(0.3～0.7g/cm3)的聚氨酯硬泡或增強(qiáng)硬泡仿木材料,其手感、質(zhì)地和外觀均與天然木材非常接近,并具有較高的剛性和機(jī)械強(qiáng)度,可替代木材,用于生產(chǎn)各類(lèi)高檔或加工難度高的家具,如桌椅、床頭、化妝臺(tái)、柜架、沙發(fā)腿、鏡框,以及門(mén)、窗框等,亦可用于非承重型裝飾材料,如仿木雕裝飾條、裝飾板、羅馬柱、雕刻畫(huà)、雕刻工藝品等。聚氨酯仿木家具相對(duì)于傳統(tǒng)木質(zhì)家具,價(jià)格較低,因此,受到歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)消費(fèi)者的青睞。聚氨酯仿木材料(也稱(chēng)PU仿木或合成木材)是由聚氨酯組合料經(jīng)共混、攪拌、發(fā)泡、注模、熟化、脫模等工序制得。聚氨酯仿木材料一般是雙組分原料體系,即組合聚醚組分(白料)和多異氰酸酯組分(黑料),其中白料以聚醚多元醇為主,并配有發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑和阻燃劑等。為了降低成本,同時(shí)改善聚氨酯仿木制品的密度、硬度及阻燃、耐熱等性能,在生產(chǎn)中通常需加入玻璃纖維、碳酸鈣、木粉等填料,但易導(dǎo)致料液黏度明顯增大,嚴(yán)重影響填料在原料中的分散、沉降和流動(dòng)性,以及原料混合的均勻性等發(fā)泡工藝。由于木粉成本低且自身為木材色澤,與其他填料相比,更易于與聚氨酯組合料混合均勻。因此本研究以木粉為填料,探討木粉添加量和木粉粒度,對(duì)聚氨酯組合聚醚體系黏度的影響,以及木粉在體系中的沉降行為,以期為家具企業(yè)改進(jìn)生產(chǎn)工藝提供參考。1材料和方法1.1試驗(yàn)材料1初始劑選用蔗糖和二甘醇,目的是為了降低組合聚醚的黏度。22主要聚醚選擇官能度為4、黏度較低的聚醚多元醇4110Ⅱ,市售。3主體聚醚體系的黏度二氯一氟乙烷HCFC-141b,常溫下黏度最低(0.44mPa·s),對(duì)聚醚體系有降黏作用,發(fā)泡劑和主體聚醚的質(zhì)量比為7∶50,市售。4木粉的制備將楊木(Populusdeltoides)砂光木粉、鋸末、刨花和木屑等粉碎后,95℃下烘至絕干,分別制成20、40、60、80、100、140、200目的木粉,m(木粉)∶m(主體聚醚)=(0～11)∶100。1.2測(cè)試設(shè)備N(xiāo)DJ-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì),90-2型定時(shí)恒溫?cái)嚢杵鳌?.3不同粒度楊木木粉黏度的控制1)將發(fā)泡劑加入聚醚多元醇4110Ⅱ中,高速攪拌1min;2)分別加入不同量或者不同粒度的楊木木粉,高速攪拌1min;3)在25℃恒溫水浴鍋中保持30min;4)待氣泡完全排出后,用玻璃棒攪勻,注意不要引入空氣,立即測(cè)量黏度;5)在室溫下靜置,并每隔24h用相機(jī)拍攝,記錄木粉的沉降狀態(tài)。2結(jié)果與分析2.1木粉和主體聚醚體系的黏度取80～100目木粉,按不同添加量加入體系。木粉加量對(duì)體系黏度的影響見(jiàn)圖1。圖1顯示,當(dāng)木粉與主體聚醚的質(zhì)量比≤7∶100時(shí),組合聚醚體系黏度隨木粉添加量增加而緩慢提高,由680mPa·s增至2350mPa·s;當(dāng)木粉和主體聚醚的質(zhì)量比>7∶100時(shí),體系的流動(dòng)性變差,難以實(shí)現(xiàn)較好的混合分散。當(dāng)木粉和主體聚醚的質(zhì)量比增至11∶100時(shí),體系黏度高達(dá)21500mPa·s。在木粉增強(qiáng)硬質(zhì)聚氨酯泡沫中,木粉加入到聚醚多元醇后,其黏度對(duì)與異氰酸酯的混合影響顯著,黏度相差愈大,愈難混合均勻,各組分的反應(yīng)速度和程度不一致,使得泡沫材料的力學(xué)性能下降。另一方面,體系黏度越大,木粉在組合聚醚體系中分散越困難。體系中集聚的木粉成為材料內(nèi)部的薄弱點(diǎn),當(dāng)受外力作用時(shí),極易產(chǎn)生裂紋并擴(kuò)展,先發(fā)生破壞。本試驗(yàn)范圍內(nèi),木粉和主體聚醚的質(zhì)量比為7∶100左右較適宜。2.2mpas更新木粉和主體聚醚的質(zhì)量比=5∶100時(shí),所添加的木粉粒度對(duì)體系黏度的影響見(jiàn)圖2。由圖2可見(jiàn),木粉粒度<80目時(shí),體系黏度隨木粉粒度變小而迅速增加,由1300mPa·s升至6000mPa·s;木粉粒度>80目時(shí),體系黏度隨粒度增加而略有減小,由1300mPa·s降至987.5mPa·s。木粉添加量相同時(shí),粒度低的木粉尺寸大,體系黏度高。木粉質(zhì)量相同,粒度較低的堆積體積大,在相同的質(zhì)量下,40～60目木粉的自由堆積體積是140～200目木粉的2.2倍。體系黏度迅速增大,是由木粉自身的尺寸和堆積體積共同作用所致。因此,綜合考慮木粉加工效率和體系黏度,木粉粒度控制以80～100目為宜,即顆粒尺寸為180～150μm。2.3木粉漂浮的穩(wěn)定性選擇80～100目木粉,每隔24h拍攝的木粉在組合聚醚中的沉降情況,如圖3所示。從左到右木粉和主體聚醚的質(zhì)量比依次為(0、1、3、5、7、9、11)∶100。由圖3可以看到,與空白試樣對(duì)比,經(jīng)24h沉降后,隨著木粉添加量的增加,木粉距離液面的尺寸變小;當(dāng)添加量增至11∶100時(shí),靜置48h后,約有50%的木粉漂浮在液面上部。原因是當(dāng)木粉被充分浸潤(rùn)后,液體進(jìn)入木材的微觀孔隙。由于木材的實(shí)質(zhì)密度(1.53～1.56g/cm3)>聚醚原料體系的密度(約1.2g/cm3),木粉開(kāi)始發(fā)生沉降。當(dāng)下沉到杯底部時(shí),借助于液體的擴(kuò)散力作用,木粉將以很大的空隙率搭積起來(lái),即產(chǎn)生類(lèi)似于半漂浮的狀態(tài),木粉的加量越多,這種效果越明顯。當(dāng)木粉添加到11∶100時(shí),在靜置狀態(tài)下,超過(guò)體系的承擔(dān)能力,顆粒尺寸較大的木粉漂浮,顆粒較小的浸潤(rùn)沉降。對(duì)比沉降圖a和b發(fā)現(xiàn),對(duì)各木粉添加量的試樣而言,隨著時(shí)間的推移,木粉會(huì)繼續(xù)沉降,但由于密度差異不大,木粉的沉降速度很慢,而且借助于液體擴(kuò)散力而產(chǎn)生的半漂浮狀態(tài)并不穩(wěn)定,仍在緩慢地繼續(xù)沉降。因此,從木粉加工和體系穩(wěn)定性的角度出發(fā),木粉的添加量宜控制在7∶100左右。2.4粒度對(duì)木粉粒徑的影響木粉和主體聚醚的質(zhì)量比為5∶100時(shí),觀察不同粒度的木粉在組合聚醚中的沉降情況,如圖4所示。從左到右木粉粒度依次為40～60、60～80、80～100、100～140、140～200目。由圖4可看出,隨著木粉粒度的增大,木粉離液面的距離逐漸減小;當(dāng)木粉粒度在40～60目時(shí),約有50%的木粉漂浮在液面上部。這是因?yàn)楫?dāng)木粉浸潤(rùn)后開(kāi)始下沉,在其他條件相同的前提下,當(dāng)木粉半徑增大時(shí),沉降速度顯著增加,粒子越小,沉降速度愈低。相同質(zhì)量下,其自由堆積體積比隨粒度增加而降低,粒度低的木粉的下降速度明顯高于高粒度木粉。添加40～60目木粉后,超出體系的容納能力,顆粒尺寸較大的木粉漂浮,顆粒較小的浸潤(rùn)沉降。從木粉加工與減緩沉降兩方面考慮,木粉的粒度控制在80～100目較合適。3木粉粒度對(duì)聚氨酯組合聚醚體系黏度的影響1)木粉的添加量和粒度,均對(duì)木粉在組合聚醚原料中的分散性有顯著影響。當(dāng)木粉和主體聚醚的質(zhì)量比>7∶