疏水改性聚乙烯亚胺可逆吸收并释放二氧化碳作为气候友好型聚氨酯发泡剂的研究

本研究针对现有聚氨酯发泡剂破坏臭氧、产生温室效应的问题，提出以"疏水改性聚乙烯亚胺吸收并释放二氧化碳（CO2）"作为聚氨酯发泡剂的新方案。利用"长链烷基和聚丙二醇"单缩水甘油醚的环氧基和聚乙烯亚胺（PEI）的胺基反应，将两种疏水链接枝到亲水的PEI链上，在聚醚多元醇中（聚氨酯泡沫的主要原料之一）形成内部亲水外部疏水的纳米胶束。内部亲水PEI链可以吸收CO2并在发泡过程中释放CO2；外部疏水链可提高胶束在聚醚多元醇中的分散性，同时也屏蔽内部的PEI链上的胺基，使其不影响聚氨酯的链增长反应。优化"疏水改性PEI"（R-PEI）的结构；研究R-PEI吸收和释放CO2的条件；研究"吸收了CO2的R-PEI"和催化剂、泡沫稳定剂之间的相互作用（即配伍性）。在此基础上探索聚氨酯泡沫的配方和制备工艺，研究泡沫的性能（密度、形貌和力学性能）和其配方的关系，探索其应用。从而为气候友好型聚氨酯泡沫探索新路。

聚氨酯泡沫是使用最为广泛的多孔材料，广泛用于保温、装饰和缓冲等领域。但其生产需要大量的发泡剂，主要为氢氟氯碳（HCFCs）、氢氟碳（HFCs）等化合物。这些发泡剂存在破坏臭氧、产生温室效应等问题，对气候变化产生不利影响。研究新型气候友好型发泡剂刻不容缓。本项目制备两种疏水链改性的支化聚乙烯亚胺（bPEI），使其吸收并释放CO2来作为聚氨酯的发泡剂。第一种疏水链改性剂为聚丙二醇单缩水甘油醚 (PPG-EPO, Mn=390 Da)。该改性剂通过其环氧基和bPEI的胺基的开环反应接枝到bPEI的主链上。改变接枝度（9～19%），合成了一系列的bPEI接枝产物（PPG-bPEIs）及其CO2加合物（PPG-bPEI-CO2s）。研究了其发泡效果，研究结果表明，接枝率为11%、侧链PPG分子量为390的发泡剂能够在聚氨酯泡沫的聚醚多元醇组分（白料）中充分分散，形成类似胶束的结构。在不同配方条件下，该发泡剂的发泡效率稳定，所得泡沫密度低于其他接枝度的发泡剂所制备的泡沫。第二类改性剂为不同长度烷基（C4～C16）缩水甘油醚，其接枝到bPEI的方式和PPG-EPO是一样的。研究结果表明，碳链长度为8（C8-bPEI-CO2）接枝率为12%的发泡剂在聚氨酯白料中分散性好于其他发泡剂，其发泡效果（所得泡沫密度低）也是最好的。但总体来说，PPG接枝的发泡剂发泡效果优于烷基链改性的发泡剂。. 两类发泡剂的发泡速度与聚合物链增长速度较为匹配，对聚合物的链增长影响不大。接枝疏水链后均降低了CO2释放温度（50～150 °C之间），有利于发泡，白料陈化一周以内可显著均化泡孔直径，增加泡沫强度。这种新型发泡剂不影响胺类和锡类催化剂的催化活性，具有良好的配伍性。以最佳发泡剂（1:9-PPG-PEI-CO2，接枝率11%）制备的聚氨酯泡沫密度约60 kg/m3 ,已能满足一些实际应用（如埋地管道、外墙保温的要求）。但其导热系数（约0.040 W/m•K）比传统发泡剂制备的泡沫偏大（0.020～0.027 W/m•K），限制了在绝热领域的应用。但和传统发泡剂相比，本研究所得发泡剂完全气候友好，除CO2以外不释放任何挥发性物质，因而对于汽车、飞机等封闭空间来说，这种新型发泡剂制备的泡沫具有很大的应用前景。