环保型聚氨酯泡沫，添加了经氢氧化钠改性的废纸填料

《Polymer Testing》：Eco-friendly polyurethane foams enriched with sodium hydroxide modified wastepaper filler

本研究将改性松木浆纸作为填料添加至刚性聚氨酯泡沫中，发现3.5%填料时热机械性能最优，显著降低吸水率（38%）和热导率，同时提升阻尼性能，但过量填料导致结构 collapse。XRD分析表明结晶结构变化较小，LOI值提高表明阻燃性略有改善。摘要共105字。

　　本研究探讨了使用经过氢氧化钠溶液处理的桦木纸浆作为填料对硬质聚氨酯（PU）泡沫性能的影响。研究团队发现，当填料含量为3.5 wt.%时，泡沫材料的热机械性能最佳。这表明，在适当调整填料比例的前提下，纸浆可以作为一种有效的改性材料，提升PU泡沫的综合性能。研究还指出，这种填料的添加不仅增强了泡沫的抗冲击能力，还降低了水吸收率，并且在热氧化老化后，泡沫表现出更好的阻尼性能和热稳定性。这些结果表明，通过合理利用纸浆这一可再生资源，可以开发出性能优异且环境友好的新型泡沫材料，为可持续材料的开发提供了重要参考。

在研究背景中，提到欧洲统计局（Eurostat）发布的报告指出，欧盟成员国每年每人平均产生约188.69公斤的包装废弃物，其中约有120.69公斤被回收。值得注意的是，40.3%的废弃物是纸张和纸板，这些废弃物可以作为新型聚合物复合材料的原料。这类材料不仅有助于减少对化石燃料的依赖，还能有效降低环境负担。然而，传统石油基聚氨酯泡沫在某些性能上存在不足，尤其是在压缩强度方面，这限制了其在特定领域的应用。因此，研究者们尝试使用生物质资源，如植物油和废弃生物质，来替代化石燃料，以制备聚氨酯泡沫。尽管这些生物质填料可以改善泡沫的某些性能，但它们的添加也会导致泡沫结构的不均匀，进而影响泡沫的机械性能和热稳定性。

研究者指出，生物质填料通常具有较强的极性，这使得它们与聚氨酯基体之间存在兼容性问题。这种不兼容性可能导致泡沫混合物流动受限，降低复合材料的整体机械性能。为了改善这种兼容性，研究采用了碱处理技术，通过将纸浆浸泡在2%的氢氧化钠溶液中，去除纤维素中的半纤维素成分，暴露出更多的羟基，从而提高填料与聚氨酯基体之间的结合力。这一过程在文献中被称为“ Mercerization”，它能够显著增强填料的分散性和界面相容性，从而改善泡沫的结构和性能。

在材料制备方面，研究使用了两种商业成分（Component A 和 Component B）来合成硬质聚氨酯泡沫。其中，Component A 是一种包含聚酯多元醇、催化剂、阻燃剂和扩链剂的预混料，而 Component B 是含有自由异氰酸酯基团的聚异氰酸酯。这两种成分按照 100:133 的比例混合，以确保泡沫的稳定性和性能。填料则由桦木纸浆制成，并经过研磨和筛分处理，以获得粒径小于0.045 mm的细小颗粒。填料在加入泡沫体系之前，先经过氢氧化钠溶液处理，以提高其与聚氨酯基体的结合能力。

在泡沫合成过程中，研究采用了单步法，即将填料与 Component A 混合后，再加入 Component B。这一过程需要在特定的温度和速度条件下进行，以确保泡沫的均匀膨胀和稳定结构。泡沫的膨胀过程分为几个阶段，包括潜伏期、膨胀期、稳定期和成熟期。研究通过测量泡沫的膨胀时间和温度变化，分析了填料对泡沫合成过程的影响。结果表明，填料的添加并未显著影响泡沫的膨胀动力学，但高填料含量（如4.7 wt.%）会导致泡沫结构的不稳定性，甚至在制造后发生收缩现象。这表明填料的添加需要在一定范围内进行，以确保泡沫的结构完整性和性能。

泡沫的微观结构分析显示，填料的加入会改变泡沫的孔结构。扫描电子显微镜（SEM）图像揭示了不同填料含量对泡沫孔隙分布的影响。随着填料含量的增加，泡沫孔的大小和分布变得更加不均匀，这可能是由于填料颗粒在泡沫体系中充当了成核中心，影响了泡沫的形成过程。此外，填料颗粒在泡沫中的分布也会影响泡沫的性能，例如，未充分结合的填料颗粒可能会占据泡沫的空腔，从而降低泡沫的密度和热导率。然而，填料的加入也会增加泡沫的密度，同时降低其热导率，这使得泡沫在热绝缘材料和声屏障等应用中具有更高的性能潜力。

研究还分析了泡沫的热导率和密度变化。结果显示，随着填料含量的增加，泡沫的热导率呈下降趋势，尤其是在填料含量为3.5 wt.%时，热导率降低到了最低值。这种热导率的降低主要是由于填料的加入改变了泡沫的孔结构，增加了开放孔的比例，从而降低了热量的传递效率。此外，填料的加入也导致泡沫密度的下降，这表明填料具有较低的密度，能够有效降低泡沫的整体重量，同时保持其结构完整性。这些结果表明，填料的添加可以优化泡沫的热性能，使其在需要良好热绝缘性能的应用中更具优势。

泡沫的机械性能分析显示，填料的加入对泡沫的压缩强度、弯曲强度和冲击强度产生了显著影响。研究发现，随着填料含量的增加，泡沫的压缩强度逐渐下降，这可能是由于填料颗粒在泡沫中分散不均，导致结构强度的降低。然而，填料的加入也提高了泡沫的冲击强度，尤其是在未老化状态下，冲击强度增加了约35%。这一现象可能是由于填料的加入增强了泡沫的吸能能力，使其在受到冲击时能够更好地分散能量，从而提高其抗冲击性能。此外，填料的加入还改善了泡沫的阻尼性能，这在动态机械分析（DMA）测试中得到了验证。测试结果表明，随着填料含量的增加，泡沫的弹性模量和玻璃化转变温度（Tg）发生了变化，这可能与填料对泡沫分子链运动的影响有关。

在热氧化老化和高湿度环境下的测试中，研究发现填料的加入不仅没有降低泡沫的机械性能，反而在某些情况下表现出更好的耐久性。例如，经过热氧化老化处理的泡沫显示出更高的冲击强度，这表明填料能够有效提高泡沫的抗老化能力。此外，填料的加入还降低了泡沫的水吸收率，使其在高湿度环境下具有更好的稳定性。这种降低的水吸收率可能是由于填料的加入改变了泡沫的表面特性，使其更加疏水。研究还通过接触角测试进一步验证了这一点，结果显示填料含量较高的泡沫具有更高的接触角，表明其表面更加疏水。

在热导率和水吸收率的测试中，研究发现填料的加入显著影响了泡沫的热性能。随着填料含量的增加，泡沫的热导率逐渐降低，这可能是由于填料颗粒的加入增加了泡沫的开放孔比例，从而降低了热量的传递效率。此外，填料的加入也降低了泡沫的水吸收率，使其在潮湿环境中表现出更好的性能。这一结果对于需要在高湿度条件下使用的泡沫材料（如农业和建筑行业）具有重要意义。

在动态机械分析（DMA）中，研究发现填料的加入显著提高了泡沫的阻尼性能。随着填料含量的增加，泡沫的弹性模量和玻璃化转变温度（Tg）发生了变化，这可能与填料对泡沫分子链运动的影响有关。填料的加入导致泡沫在较低温度下的tanδ值增加，这表明泡沫在受到动态载荷时能够更好地吸收能量，从而提高其阻尼性能。此外，填料的加入还改变了泡沫的峰值宽度，这可能与不同松弛机制的出现有关。这些结果表明，填料的加入不仅能够改善泡沫的热性能，还能够增强其动态机械性能。

在火行为测试中，研究发现填料的加入对泡沫的燃烧特性产生了一定影响。虽然填料的加入略微提高了泡沫的极限氧指数（LOI），表明其阻燃性能有所改善，但泡沫的燃烧时间仍然较长，且未达到V-0、V-1或V-2的阻燃等级。这表明，尽管填料的加入在一定程度上改善了泡沫的燃烧特性，但仍需进一步优化其阻燃性能，以满足更严格的防火标准。此外，填料的加入并未显著降低泡沫的热释放速率（HRR）和总热释放（THR），这表明填料的加入对泡沫的燃烧效率影响有限。

研究还通过X射线衍射（XRD）分析了泡沫的微观结构变化。结果显示，填料的加入对泡沫的晶体结构产生了一定影响，但整体变化不大。这表明填料的加入主要影响泡沫的孔结构和表面特性，而对其内部晶体结构的影响相对较小。这一发现为后续研究提供了新的思路，即可以通过调整填料的种类和处理方式，进一步优化泡沫的微观结构和性能。

综上所述，本研究通过使用经过氢氧化钠处理的桦木纸浆作为填料，成功开发出一种具有优异热机械性能的硬质聚氨酯泡沫。填料的加入不仅降低了泡沫的水吸收率和热导率，还提高了其阻尼性能和抗老化能力。尽管填料的加入对泡沫的燃烧特性影响有限，但其在热导率和机械性能方面的改善，使其在多个应用领域中具有更高的潜力。研究结果表明，纸浆作为一种可再生资源，可以有效替代传统化石燃料基的聚氨酯泡沫，为可持续材料的开发提供了新的方向。未来的研究可以进一步探索如何优化填料的种类和处理方式，以提高泡沫的综合性能，并推动其在更多领域的应用。