一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术制造技术

本发明专利技术提供了一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术。所述技术应用于以下聚合物体系：1)高性能树脂，如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜等芳香族聚合物；2)商业性树脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)等；3)可降解聚合物，如聚ε‑己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)和聚丁二酸丁二醇‑共‑对苯二甲酸丁二醇(PBST)等。利用二异氰酸酯和聚合物都能溶解在二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷或氯仿等有机溶剂的特点实现共混，向共混体系注水可快速产生大量二氧化碳实现高膨胀率发泡。该技术具有普遍适用性、成本低、简单高效等优势，在工业建筑、航空航天、高速列车等领域具有广泛的应用前景。

A highly efficient polymer solution foaming technology for preparing high expansion foam materials

【技术实现步骤摘要】
一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术
本专利技术涉及多孔材料制备领域，涉及到不同系列聚合物溶液快速发泡技术。
技术介绍
多孔泡沫材料是一种以基体材料为连续相，气体为分散相的三维轻质多孔材料，在保持基体材料理化性能的同时，还具有轻质、隔热、吸音和绝热等优良的物理性能。因其具有制备工艺简单、无需特殊设备和成本低廉的优势，而被大规模应用于工业建筑、军用装备、航空航天、船舶等领域。在过去几十年里，通过对泡沫材料的制备技术不断探索和完善，使其制备工艺越来越简单高效，并已广泛应用于产业化发展。目前发展比较快速的发泡技术主要包括直接发泡法、超临界二氧化碳发泡法、粉末发泡法和微球发法等。直接发泡法主要是针对聚合物熔体和发泡剂直接发泡制得。超临界二氧化碳发泡技术是利用高温条件下气泡在聚合物体系中成核的机理，制备出孔径在1-100um的泡沫材料。粉体发泡法主要是先将聚合物粉末和发泡剂粉末混合均匀，再经过压制和发泡制备出多孔泡沫。微球发泡技术的原理是由于微球受热膨胀，其壳内的液体受热汽化后导致软化的外壳膨胀造孔。虽然以上的泡沫技术已逐渐完善并广泛应用于商业化发展，但对于一些发泡窗口小，分解温度低于熔融温度的聚合物而言，这些发泡技术仍具有一定的局限性。溶液发泡技术是指在常温条件下利用发泡剂在聚合物溶液中产生大量气泡并成核生长制备出高膨胀率泡沫材料，在工艺流程中无需复杂的设备和苛刻条件就能高效制备多孔材料，尤其对于一些难以熔融的聚合物来说能实现快速发泡。本专利技术是利用二异氰酸酯与水反应能迅速产生大量二氧化碳的原理，同时利用二异氰酸酯能均匀分散在二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷或氯仿等有机溶剂这一特点，实现二异氰酸酯与不同体系的聚合物共混，随后将水注入共混体系中可在较短时间内实现高膨胀率发泡。因此，异氰酸酯基溶液发泡技术具有简单高效和普遍适用性的优势，可适用于：1)高性能树脂(如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜等芳香族聚合物)；2)商业性树脂(聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN))；3)可降解性树脂(聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)和聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇(PBST))。
技术实现思路
本专利技术的目的是利用一种简单高效且具有普遍适用性的聚合物溶液发泡技术快速制备高膨胀率泡沫材料。本专利技术制备工艺流程是先选择能溶解在二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAC)、二氯甲烷或氯仿等有机溶剂的不同体系聚合物如：1)高性能树脂(如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜等芳香族聚合物)；2)商业性树脂(聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN))；3)可降解性材料(聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)和聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇(PBST))。将选择的聚合物溶液与二异氰酸酯共混，再将水匀速注入共混体系中，利用水与二异氰酸酯快速反应产生二氧化碳的机理制备出高膨胀率泡沫材料。本专利技术具有制备时间极短、无需复杂的条件且具有普遍适用性的优势。本专利技术的其它特征和方面在下文进行详细介绍。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术适用性更广：能够适用于不同体系的聚合物：①高性能树脂(如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜等芳香族聚合物)；②商业性树脂(聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN))；③可降解性树脂(聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇(PBST))。(2)本专利技术原料易得，制备工艺简单：通过控制聚合物溶液的浓度、二异氰酸酯的质量分数和注水速率，能够制备出低密度、高孔隙率的泡沫材料。(3)制备出的多孔材料如芳香族聚合物和聚丙烯腈(PAN)泡沫可以进一步碳化得到高性能多孔碳材料，可应用于超级电容器、锂离子电池和吸附分离等领域；聚偏氟乙烯(PVDF)泡沫可用于油水分离领域。附图说明图1为PMIA泡沫材料及其碳衍生物实物图；图2为PMIA泡沫的SEM电镜图。具体实施方式：下面结合实施例对本专利技术进行详细说明，以使本领域技术人员更好地理解本专利技术，但本专利技术并不局限于以下实施例。实施例1一系列高性能树脂(芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜)多孔泡沫材料的制备：其制备方法以芳香族聚酰胺中的聚间苯二甲酰间苯二胺(PMIA)泡沫为例，其特征在于包括以下步骤：(1)配置质量分数为11.8％的PMIA/DMAC或DMF溶液，在60℃下用恒温加热磁力搅拌器搅拌3小时直至完全溶解，待溶液冷却后加入质量分数为10％的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)，搅拌均匀后得到PMIA/MDI混合溶液。(2)取一定量的PMIA/MDI溶液倒入半封闭模具中，其溶液和模具体积比为3∶5，再以10ml/min速率注射蒸馏水，二异氰酸酯与水快速反应产生大量的CO2形成多孔结构，完全反应后取出PIMA泡沫材料。(3)将步骤2中的泡沫放入超声清洗器中清洗1小时，再放入水中浸泡一段时间后，除去未反应的异氰酸酯和残余溶剂，再放入80℃的真空干燥箱中干燥。实施例2一系列商业性树脂(聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN))多孔泡沫材料。其特征在于包括以下步骤：(1)配置质量分数为18％的PVDF/DMAC或DMF溶液，在60℃下用恒温加热磁力搅拌器搅拌3小时直至完全溶解，待溶液冷却后加入质量分数为10％二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)混合均匀，得到PVDF/MDI混合溶液。(2)取一定量的PVDF/MDI溶液倒入半封闭模具中，混合溶液和模具体积比为3∶5，以10ml/min的速率注射蒸馏水，二异氰酸酯与水快速反应产生大量的CO2形成多孔结构，完全反应后获得PVDF泡沫材料。(3)将步骤2中的泡沫放入超声清洗器中清洗1小时，再放入水中浸泡一段时间后，除去未反应的异氰酸酯和残余溶剂，再放入80℃的真空干燥箱中干燥。(4)重复上述步骤制备出PAN多孔泡沫，不同的是PAN的质量分数为15％。实施例3一系列可降解树脂(聚ε-己内酯(PCL)、聚乳酸(PLA)、聚羟基烷基酸酯(PHA)、聚羟基丁酸酯(PHB)、聚丁二酸丁二醇-共-对苯二甲酸丁二醇(PBST))多孔泡沫材料。其制备方法以聚ε-己内酯(PCL)多孔泡沫为例，其特征在于包括以下步骤(1)配置质量分数为18％的PCL/DMAC或DMF溶液，在60℃下用恒温加热磁力搅拌器搅拌3小时直至完全溶解，待溶液冷却后加入质量分数为10％的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)混合均匀，得到PVDF/MDI混合溶液。(2)取一定量的PCL/MDI溶液倒入半封闭模具中，混合溶液和模具体积比为3∶5，以10ml/min的速率注射蒸馏水，二异氰酸酯与水快速反应产生大量的CO2形成多孔结构，完全反应后获得PCL泡沫。(3)将步骤2中的泡沫放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)配置一定质量分数的聚合物溶液，在一定温度条件下用恒温磁力或机械搅拌直至完全溶解，待溶液冷却后加入一定质量分数的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)，搅拌均匀后得到聚合物/MDI混合溶液。/n(2)取一定量的聚合物/MDI溶液倒入半封闭模具中，其溶液和模具体积比为3∶5，按一定速率注入水，二异氰酸酯与水快速反应产生大量的CO

【技术特征摘要】
1.一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置一定质量分数的聚合物溶液，在一定温度条件下用恒温磁力或机械搅拌直至完全溶解，待溶液冷却后加入一定质量分数的二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)，搅拌均匀后得到聚合物/MDI混合溶液。
(2)取一定量的聚合物/MDI溶液倒入半封闭模具中，其溶液和模具体积比为3∶5，按一定速率注入水，二异氰酸酯与水快速反应产生大量的CO2形成多孔泡沫结构，完全反应后取出泡沫材料。
(3)将多孔材料放入超声清洗器中清洗1小时，再放入水中浸泡一段时间后，除去未反应的二异氰酸酯和残余溶剂，再放入80℃的真空干燥箱中干燥。


2.根据权利要求1所述的一种高效制备高膨胀率泡沫材料的聚合物溶液发泡技术，其特征在于：所述聚合物溶液包括以下体系1)高性能树脂，如芳香族聚酰胺、芳香族聚酯和聚芳砜等芳香族聚合物；2)商业性树脂，如聚偏氟乙烯(PVDF)、...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亮，刘传永，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：天津;12