PIR泡沫塑料和聚氨酯泡沫塑料的性能比较
【编者按】上海万国科技发展有限公司研发生产的节能保温板，由于采取了更为先进的配方设计和连续高压发泡工艺，性能方面与本文相比有很大提高，氧指数可高达40％，导热系数更低达0.018 W/mK（25℃），代表了新一代PIR高分子材料的{zg}水平。
【文 摘】从PIR聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料的主链结构出发，在和聚氨酯泡沫塑料的性能对比中，突出了前者的优异性能，为开拓其应用，展示了美好的前景。
【Abstract】The good performance of ployisocyanurate foam which main chain structure was modified, is outstanding in comparison with polyurethane foam, showing splendid prospects for many fields.
【关键词】聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料，耐热性能，热物理性能，力学性能

前言
聚氨酯泡沫塑料具有优良的物理、力学、化学性能，尤其是热导率低，是一种优质的绝热、保温、保冷材料，已广泛应用于运输、建筑、冷藏、家具、绝热等领域。在实际应用中发现，如果使用温度超过150℃，聚氨酯泡沫塑料的机械强度明显下降，尺寸变化率很快增加。70年代初，出现了聚异氰脲酸酯泡沫塑料。纯聚异氰脲酸酯泡沫塑料，主要是异氰酸酯的三聚反应。  
从化学方程式不难看出，聚异氰脲酸酯交链密度很高，由此形成的泡沫塑料虽然具有优良的耐热性能，但质脆，无实际应用价值。可用环氧树脂、聚酰亚胺、聚氨酯等进行改性，其中，以聚氨酯改性聚异氰脲酸酯反应较易控制，生成的主要化学链段结构见图1。

图1 聚氨酯改性聚异氰脲酸酯化学链段结构式

在聚异氰脲酸酯环之间，引入了聚氨酯链段，降低了聚异氰脲酸酯环的浓度，使得两种结构同时存在，不仅保留了聚异氰脲酸酯泡沫塑料优异的耐热和耐火焰贯穿性能，而且赋予了聚氨酯泡沫塑料优良的绝热性能，较高的机械强度和冲击韧性等。通过配方设计，调节聚氨酯链段和聚异氰脲酸酯环的比例，就可以获得一系列聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料。

实验用泡沫塑料的制备
聚氨酯泡沫塑料的制备，见文献【2】。
聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料采用的浇注工艺同聚氨酯泡沫塑料，其配方见表1。

耐热性能
3.1 烧蚀性能   表1 泡沫塑料配方
   物料名称 配方质量比例
   匀泡剂 30－60
   聚醚A 30－50
   聚醚B 40－50
   阻燃剂 30－40
   KAC 0.4－0.6
   Dabco T-4 1－3
   MDI 180－220
用￠39mm×20mm的试样，用氧乙炔焰，在不同热流下进行烧蚀。记录烧蚀前后试样的质量和厚度，烧蚀时试样背面温度，烧蚀时间。烧蚀后，对试样状态进行观察。烧蚀结果见表2。

表2 两种泡沫塑料烧蚀性能比较
泡沫塑料类别 聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料 聚氨酯泡沫塑料
烧蚀条件 氧乙炔焰 氧乙炔焰
热流/W·cm-2 173.5 102.9
试样编号 1 2 3 4 1 2 3 4
烧蚀时间/s 10 10 10 20 10 10 10 20
质量变化量/g 0.3044 0.2030 0.1882 0.2740 0.2820 0.3698 0.3479 0.3625
质量烧蚀率/g·s-1 0.03044 0.02030 0.1882 0.01370 0.02820 0.03698 0.03479 0.01813
高度变化量/mm 4.5 4.2 3.2 7.3 10.4 11.1 10.9 14.5
线烧蚀率/mm·s-1 0.45 0.42 0.32 0.365 1.04 1.11 1.09 0.725
背面温升/℃ 6 2 3 7 7 10 10 30
烧蚀后
试样状态特征 ①炭层致密不易剥落；②炭层较薄；
③烧蚀面平缓 ①炭层疏松，粉状，易掉落；②炭层较厚；
③烧蚀面向里凹陷
    从表2可以看出，泡沫塑料，在热流大的条件下，质量烧蚀率和线烧蚀率都比较低，背面温升小。而聚氨酯泡沫塑料则相反。从分子结构上可以看到，聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料主链上含有大量聚异氰脲酸酯环，而聚氨酯泡沫塑料主链上则没有，仅含有聚氨酯链。烧蚀时，前者表面能够形成一层致密的碳化层，阻碍和延缓了泡沫塑料继续燃烧。在燃烧过程中，刺激性小，发烟量低。聚氨酯泡沫塑料燃烧时，有燃滴现象，释放出大量有刺激性的气体，发烟密度高。燃烧后泡沫塑料碳层疏松，呈现粉状。
3.2 氧指数（GB 2406-80）
经北京消防研究测试中心测定：聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料氧指数为29％，而聚氨酯泡沫塑料氧指数为25.5％。
所谓氧指数是指在规定的测试条件下，试样在氧气和氮气的混合气流中，维持稳定燃烧时所需的{zd1}氧气浓度。在数值上，它用混合气流中，氧气所占的混合气体的体积百分数表示。氧指数越大，试样稳定燃烧时所需要氧气越多，表示试样材料就越难燃烧。
3.3 热失重分析
在热重分析仪上，测定所制备的聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料的TG和DTG曲线。
测试条件为：
升温速度      10℃/min;
环境气氛    流动空气30ml/min左右；
测试温区    20－700℃
测试试样    小块泡沫塑料
测试结果见图2。
图2 聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料TG、DTG曲线
    聚氨酯泡沫塑料的TG、DTG典型曲线见文献【3】。虽然两种泡沫塑料的TG、DTG曲线都显示了三次明显的失重，但是聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料的三次失重的温度范围要比聚氨酯泡沫塑料高，失重百分数要小。这正是前者优异耐热性能的又一证明。具体温度范围和热失重百分数见表3。
表3 两种泡沫塑料三次热失重温度范围和失重百分数比较
泡沫塑料种类 {dy}次热失重 第二一次热失重 第三次热失重
温度范围/℃ 失重％ 拐点温度/℃ 温度范围/℃ 失重％ 拐点温度/℃ 温度范围/℃ 失重％ 拐点温度/℃
聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料 230
－270 8 245 320
－360 24 340 540
－580 54 566
聚氨酯泡沫塑料 130
－220 13 150 220
－380 29 280 380
－680 54 526

热物理性能
4.1 热导率
聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料具有良好的绝热性能。从77K到423K范围内，热导率变化见图3。聚氨酯泡沫塑料从77K到298K的热导率变化也绘于图3，便于比较。从图3不难看出，在低于298K时，聚氨酯泡沫塑料具有较小的热导率和优异的绝热性能；但在423K时，聚氨酯泡沫塑料发生变形，而聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料不发生变形，热导率为0.0370W/Mk。
图3 两种泡沫塑料热导率比较
图中 曲线1为聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料
         曲线2为聚氨酯泡沫塑料

4.2 比热容
泡沫塑料具有较小的比热容。从77K到423K范围内，比热容变化见图4。在图4中，同时给出聚氨酯泡沫塑料的比热容。
  
图4 两种泡沫塑料比热容比较
图中 曲线1为聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料
         曲线2为聚氨酯泡沫塑料
力学性能
聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料具有一定的力学性能。不仅能在液氮温度（－196℃）下使用，也

表4 聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料力学性能   能在150℃下使用。使用温度范围比聚氨酯泡沫塑料要宽得多。
从表4实测数据可明显地看出：
（1）与聚氨酯泡沫塑料一样，聚氨酯改性聚异氰脲酸酯泡沫塑料力学性能具有明显的方向性，无论是拉伸模量、压缩模量，还是拉伸强度、压缩强度，都是平行于发泡方向的数值大于垂直发泡方向的数值。表4同时给出了两个方向性能数据的比值。
（2）随着测试温度的降低，力学性能增加。聚氨酯泡沫塑料力学性能见文献【2】。

结论
泡沫塑料由于其自身独特的主链结构，具有优异的耐热、耐火焰贯穿性能，一定的绝热性能、力学性能。在国防、能源、石油等工业中，具有很大的应用潜力。
力学性能 测试温度/℃ 发泡方向⊥ 发泡方向// // / ⊥   
拉伸模量/MPa -196 15.6 19.90 1.28   
25 10.80 12.30 1.14   
100 6.22 7.50 1.21   
150 5.04 4.90 0.97   
压缩模量/MPa -196 14.30 24.60 1.72   
25 7.33 16.50 2.25   
100 7.94 13.20 1.66   
150 4.48 8.43 1.88   
拉伸强度/MPa -196 0.304 0.541 1.78   
25 0.343 0.391 1.14   
100 0.169 0.243 1.44   
150 0.140 0.154 1.10   
压缩强度/MPa -196 0.350 0.470 1.34   
25 0.257 0.305 1.19   
100 0.190 0.221 1.16   
153 0.150 0.201 1.34   

参考文献：
方禹声，朱吕民.聚氨酯泡沫塑料.428
李协平，王鸿奎.硬质闭孔聚氨酯泡沫塑料的机械性能研究.宇航材料工艺，1988（1）.25
李协平，王鸿奎.及聚异氰脲酸酯泡沫塑料的热行为及其机理的研究，宇航材料工艺，1988（5）.50