摘要

在全水一步法制備聚氨酯軟泡過程中加入不同填充量的高潛熱值相變材料正十八烷，制備相變潛熱較高的調溫聚氨酯發泡棉。通過掃描電鏡（SEM）、傅里葉紅外光譜（FTIR）、示差掃描量熱（DSC）、熱重（TG）等表征手段和力學測試，研究不同含量的正十八烷對發泡棉表面形貌、化學結構、熱性能和力學性能的影響。SEM和FTIR結果顯示：相變材料正十八烷能較好的埋置于聚氨酯基體中；DSC和TG結果顯示：發泡棉的相變熱值隨正十八烷含量的增加而增大，含有20％正十八烷的發泡棉相變潛熱可達43 J/g；經多次熱處理后發現：填充20％正十八烷的復合發泡棉相變潛熱變化量較小，熱穩定性良好；力學測試結果顯示：經正十八烷填充后的聚氨酯發泡棉*壓縮形變增大，拉伸強度及斷裂伸長率減少。

關鍵詞

聚氨酯；發泡棉；正十八烷；相變熱

０　引　言

蓄熱技術可用于解決熱能供給與需求失配的矛盾，在太陽能利用、電力的“移峰填谷”、廢熱和余熱的回收利用以及日常生活用品等領域具有廣泛的應用前景，具有潛熱儲能性能的相變材料被視為蓄熱技術的重要載體。相變材料（Phase change material，PCM）是指隨溫度變化而改變物質狀態并能提供相變熱的物質。與其它相變材料相比，正十八烷等烷烴類相變蓄熱材料具有相變潛熱高、幾乎沒有過冷現象、熔化時蒸汽壓力低、不易發生化學反應且化學穩定性較好、自成核、沒有相分離和腐蝕性、價格低等優點，日益成為許多商業應用的優選相變材料。聚氨酯（Polyurethane，PU）是主鏈含—NHCOO—重復結構單元的一類聚合物，由二元異氰酸酯或多元異氰酸酯與多羥基化合物經逐步加成反應得到。使用各種不同官能團原料合成得到結構不同的聚合物，如由多元醇和二官能團的異氰酸酯合成線性結構聚氨酯，當其中一種原料改為三官能度，便可合成體型結構的聚氨酯。改變聚合物架構就可以制備出不同性能的材料。

有關將相變材料添加到聚氨酯以制備具有儲熱功能的發泡棉的研究已經引起廣泛關注。將這種發泡棉材料做成鞋底及衣物內襯，可以增加衣物的著身舒適性；應用于汽車座椅及車頂等內飾可提升消費者的駕駛舒適感。由明等將石蠟包覆與高分子壁材中并埋置與聚氨酯基體中，制得20％wt的PCMs／PU發泡棉，相變潛熱為24.7 J/g，低于實際應用對相變材料潛熱的要求。Li等以季戊四醇和MDI為原材料，以兩步反應法制備較高相變潛熱（52.7 J/g）以及較高相變溫度（48.6℃）的PCMs／PU發泡棉，但是在制備過程中需要大量使用有毒有機溶劑二甲基甲酰胺（N,N-dimethylformamide，DMF），在后期處理中難以*去除。

本文采用全水一步發泡法，以甲苯二異氰酸酯（TDI 80/20）與聚醚多元醇作為發泡主要原料，將高潛熱值相變材料正十八烷（n-octadecane）加入至聚氨酯發泡劑中，制備具備較高相變熱值的填充型調溫聚氨酯發泡棉，然后運用傅里葉紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡、差示掃描量熱儀、熱重分析儀以及力學測試儀分別表征該復合發泡棉的化學結構、表面形貌、熱力學及力學性能。

1  實驗部分

1.1  主要原料

聚醚多元醇（工業級，上海高橋石化有限公司），去離子水，TDI 80/20（工業級，河北滄州大化有限公司），二乙醇胺（化學純，遼寧撫順北方化工有限公司），辛酸亞錫（分析純，江蘇雅克化工有限公司），硅油L580（化學純，江蘇無錫碩鼎化工有限公司），正十八烷（分析純，阿拉丁）。

1.2  儀器設備

HH-601型超級恒溫水浴鍋（金壇市瑞祥儀器廠），JJ-1型電動攪拌器（常州普天儀器制造有限公司），ULTRA55型掃描電子顯微鏡（SEM，德國Carl Zeiss公司），Q2000型差示掃描量熱儀（DSC，美國Mettler Toledo公司），209F1型熱重分析儀（TG，瑞士Mettler Toledo公司），DZF－6020型真空干燥箱（上海精宏實驗設備有限公司），Nicolet 5700型傅立葉紅外光譜分析儀（FTIR，美國熱電公司），KES－G1型多功能力學試驗儀（日本加多技術有限公司）。

1.3  正十八烷／PU發泡棉的制備

表１為正十八烷／聚氨酯發泡棉的制備配方。按配方稱取額定量的聚醚多元醇置于燒杯中，再依次量取定量的蒸餾水、硅油L580、二乙醇胺，另取定量的正十八烷在40℃水浴鍋中融化成液體，倒入上述燒杯中與其它液體混勻，用電動攪拌器攪拌60s。加入定量辛酸亞錫及甲苯二異氰酸酯（TDI），攪拌10s后開始發泡。待發泡*后放入干燥箱內，設置溫度70℃，熟化30 min，取出常溫放置12h得到聚氨酯發泡棉制品。

表１　正十八烷／聚氨酯發泡棉的制備配方

將制備所得含有20％正十八烷的聚氨酯復合發泡棉進行不同次數（分別為3、10、30、50次）的熱處理操作，單次熱處理過程為先將樣品在80℃干燥箱中加熱10min后放入－4℃冰箱中冷卻10min。

1.4  測試與表征

1.4.1  FTIR分析

采用ATR法對樣品進行紅外檢測，光譜分辨率0.4cm^-1，波長范圍400～4000cm^-1。

1.4.2  SEM觀察

對鍍金后的發泡材料的表面形貌進行觀察，掃描倍數為135倍，掃描電壓10 kV。

1.4.3  DSC分析

用差示掃描量熱儀測試表征復合相變發泡棉的相變溫度及相變潛熱。在N₂氛圍下，以10℃／min掃描速率測試0～50℃范圍內樣品的DSC曲線。

1.4.4  TG分析

N₂氛圍下，氣體流速20 mL/min，以10 ℃/min的升溫速率使樣品從室溫升至500℃，記錄樣品的熱重曲線。

1.4.5  力學性能測試

根據《GB/T 6669—2008軟質泡沫壓縮*變形的測定》和《GB/T 6344—2008軟質泡沫拉伸強度和斷裂伸長率的測定》標準測試正十八烷／聚氨酯發泡棉樣品的力學性能。

２  結果與討論

2.1  紅外光譜分析

圖1所示為正十八烷（a）和添加了不同質量分數正十八烷的復合聚氨酯發泡棉（b）的紅外光譜圖。從光譜圖1（a）可以看出，正十八烷在2960、2920、2850、1470cm^-1附近出現的吸收峰對應于CH₃中C－H不對稱伸縮振動峰、CH₂中C－H鍵的不對稱伸縮振動峰、CH₂中C－H的對稱伸縮峰和C－H的剪式彎曲振動吸收峰。在717cm^-1附近出現C－H的面內搖擺振動吸收峰。光譜圖1（b）中從上到下依次為正十八烷填充質量分數0％（純PU、10％、15％、20％的聚氨酯發泡棉的紅外光譜曲線。其中，純聚氨酯紅外曲線在1100cm^-1為C－O－C的伸縮振動吸收峰，在1530cm^-1處為N－H的彎曲振動峰。不同填充含量的聚氨酯發泡棉樣品均在717、1470、1530、2850、2920、2960cm^-1處出現振動吸收峰，這表明正十八烷充分已混入發泡棉體系制得正十八烷／聚氨酯調溫發泡棉，而且在發泡反應過程中，填充料正十八烷以及基體聚氨酯的分子結構未被破壞。