全水低密度热塑性聚氨酯泡沫的制备

全水低密度热塑性聚氨酯泡沫的制备 王金 张谦和 刘新建 赵怡 北京科聚化工新材料有限公司 北京 102200 摘要摘要 聚氨酯顶棚泡沫是一种热塑性泡沫 具有吸音 隔热 自支撑等功效 是广泛用于汽 车顶棚生产的一种基材 本文就热塑性顶棚泡沫的制备原理 测试方法及近期开展的新技术做了扼要介绍 对 生产实践具有一定的指导意义 北京科聚近期开发的组合聚醚 WANEFLEX 593 和改性 MDI WANNATE 8214 可以很 好地搭配用于生产湿法顶棚泡沫 具有密度低 性能优异 抗烧心和吸音性能优异等优点 可以很好地满足客户的使用要求 前言前言 近年来 我国的汽车行业得到了迅猛的发展 尤其是轿车 得到了爆发式的增长 2000 2010 年间 汽车产量年均增长超过 20 汽车产销总量突破 1800 万辆 成为全球最 大的汽车产销国 随着汽车的快速发展 汽车的轻量化 舒适性等已经越来越成为人们关 注的焦点 汽车内饰材料作为汽车的重要组成部分 已经引发了人们足够的重视 1 2 顶棚内饰作为汽车内饰的重要组成部分 能够起到明显的吸音 隔热等作用 汽车顶 棚内饰主要有两种 软顶和硬顶 随着我国汽车工业的发展 软顶已逐渐被成型硬顶所替 代 由于聚氨酯泡沫有着不可比拟的优越性 在汽车顶棚材料中已经逐步取代其他材料 成为主要的材料 传统的聚氨酯顶棚制作工艺分为干法和湿法工艺 现阶段 国内主要聚 氨酯顶棚生产为干法工艺 干法工艺要求泡沫的密度偏大 刚性较强 延伸率一般即可 湿法工艺的泡沫要求较高的延伸率 同时可以达到更低的密度 随着汽车产业的发展 轻 量化设计已经成为汽车发展的一种趋势 湿法工艺的泡沫密度较低 成为愈来越多汽车内 饰厂家所选择的工艺 3 各大聚氨酯供应商早已开始了对聚氨酯顶棚组合料的研发 伴随着轻量化的发展趋势 相对密度偏低的湿法顶棚泡沫基材已经成为各大聚氨酯原料供应商的研发重点 由于泡沫 的低密度化 需要大量的水作为发泡剂保证整体密度 而水与异氰酸酯反应生成大量热 容易造成泡沫烧心 同时水和异氰酸酯反应生成的脲相 极大的影响着泡沫的韧性 容易 导致泡沫在成型过程中压裂 在中高档车型中 还对顶棚内饰有着一定的吸音要求 这些 都导致了顶棚系统有着较高的技术门槛 4 本文主要介绍了一种适用于湿法工艺的聚氨酯顶棚系统 该系统制得的泡沫密度低 具有较高的延伸率和一定的吸音效果 同时避免了烧心现象 可以用于汽车顶棚基材 制备原理制备原理 汽车顶棚属于热塑性的硬泡 区别于传统的热固性硬泡 通过控制聚氨酯分子结构 使得聚氨酯泡沫在一定的条件下 具有可加工性 即泡沫具有一定的热塑性 143 26 C 0 5677 0 2 0 4 Tan Delta 0 0001 0 001 0 01 0 1 1 Loss Modulus MPa 0 001 0 01 0 1 1 10 Storage Modulus MPa 20406080100120140160180200 Temperature C Sample RF W 01 13 2 Size 7 1580 x 12 9850 mmDMA File C VEF rf 20110118 RF W 01 13 2 001 Operator qq Run Date 2011 01 18 12 19 Instrument DMA Q800 V7 0 Build 113 Universal V4 1D TA Instruments 图 1 典型的热塑性顶棚泡沫的 DMA 曲线 图 1 是典型的热塑性顶棚湿法工艺的泡沫 DMA 曲线 从 DMA 谱图上可以得到该泡 沫的使用温度不能超过 120 当超过该温度后 泡沫的储能模量下降很快 泡沫反映出 来的强度和刚性变差 在实际的生产过程中 用加热泡沫或者加热模具的方法 使得泡沫 的温度达到其玻璃化温度 泡沫处于粘弹态 可以根据不同的模具制得不同形状的产品 待温度冷却后 泡沫回复到玻璃态 可以维持所形成的形状 形成最终的顶棚产品 实验部分实验部分 实验原料实验原料 聚醚 1 羟值 28 42mgKOH g 聚醚 2 聚醚 3 羟值 400 750mgKOH g 聚醚 4 羟值 112 240mg KOH g 胺催化剂 硅油等助剂是国内市售产品 MDI 体系异氰酸酯 WANNATE 8214 NCO 含量 31 9 粘度 50mPa s 实验实验器材器材 自由泡模具 箱式发泡 电子万能试验机 深圳瑞格尔 ARB120 电子天平 北京欧陆伟业科技发展公司 红外测温仪 北京欧陆伟业科技发展公司 液相 凝胶渗透色谱 美国 WATERS 公司 粘度计 NDJ 上海精密仪器有限公司 动态 DMA 测试仪 DMA Q800 吸音测试 北京声望声电技术有限公司 发泡实验发泡实验 MDI 和组合料主要采取自由发泡的方式 评价组合料体系发泡工艺和物理性能 按照一定比例称取聚醚 交联剂 水 硅油 催化剂 记为 A 组分 搅拌均匀 改性 MDI 产品记为 B 组分 A B 料温控制在 25 1 将 B 料到入 A 料 充分搅拌 15 20s 后 迅速倒入敞口模具中 观察并记录泡沫乳白时间 凝胶时间 脱粘时间 并测试泡沫自由发 泡密度和物理性能 测试标准测试标准 泡沫的物性测试标准见表 1 表 1 汽车顶棚泡沫测试标准 物性单位测试标准 粘度 mPa s GB 12009 3 NCO GB 12009 4 密度kg m3ISO 845 拉伸强度kPaGB 9641 88 断裂伸长率 GB 9641 88 硬泡压缩强度kPaGB T 8813 2008 硬泡弯曲强度kPaGB T 8812 1988 尺寸稳定性 GB T 8811 2008 闭孔率 ASTM 6226 05 结果和讨论结果和讨论 用于汽车顶棚的热塑性聚氨酯泡沫也是一种形状记忆材料 湿法工艺中泡沫在 120 140 时受热成型 不同原料的搭配既要满足热加工时需要的塑性 又要达到使用环 境温度下保持的刚性 具体工艺配方见表 2 其中聚醚 1 和聚醚 4 的作用是赋予泡沫的塑 性 聚醚 2 和聚醚 3 的作用是赋予泡沫刚性 调整泡沫的玻璃化温度 表 2 顶棚泡沫制备工艺 多元醇 R F1F2 聚醚 130 5035 45 聚醚 250 3045 30 聚醚 30 1010 25 聚醚 420 1010 0 交联剂0 5 1 51 0 3 0 H2O66 其他助剂1 81 8 胺类发泡催化剂0 40 25 凝胶催化剂0 350 4 改性 MDI I WANNATE 8214 175 182178 185 表 3 顶棚泡沫物性对比 物理性能F1F2 市场要求 I R 比例170 174 100172 178 100 芯密度 kg m324 223 922 25 压缩强度 kPa115 120100 105 80 弯曲强度 kPa140 150130 135 130 拉伸强度 kPa165 175150 155 150 断裂伸长率 20 2122 23 20 开孔率 90 9560 70 80 烧心与否无无无 从泡沫的物性看 两个泡沫均能够满足当前市场对该密度段泡沫的基本物性要求 完 全可以满足生产的使用 泡沫 F1 在能够满足湿法泡沫生产的同时 还具有较高的开孔性 附带相对较好的吸音效果 考虑到实际的生产中 一些中高档汽车顶棚对吸音降噪有一定 的要求 在这种情况下推荐使用 F1 系统 即本文所介绍的 WANEFLEX 593 全水低密度发泡的一个技术难点在于如何避免烧心现象 由于顶棚泡沫是进行块泡生 产或者连续线工艺 发泡的重量和体积较大 很容易发生热量聚集导致泡沫烧心的现象 欲改善烧心现象 需要从放热量和热量散发两个方面去解决 由于水和异氰酸酯反应 生成大量的热 是整个泡沫产生过程中的重要热量来源 而要保证低密度和全水发泡 需 要组合料体系有较高的水量 无法从控制水量方面来降低反应热 从而避免烧心现象 本文介绍的 F1 系统通过对 F2 的调整 使得泡沫的热量散发方面得到了极大的改善 泡沫内部不会长时间处于高温状态 从而避免泡沫烧心 051015202530 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Temperature oC Time min F1 F2 图 2 改善前后的芯部温度曲线 从图 2 上来看 F1 体系尽管泡沫的最高温度与 F2 基本相当 但是由于其降温速度较 快 使得泡沫处于高温的时间大大缩短 既有利于避免烧心现象 同时还能够改善泡沫由 于长时间处于高温条件下造成泡沫性能变差的现象 顶棚泡沫作为多孔吸音材料的一种 其吸音性能得到了人们越来越多的关注 我们同 样对泡沫吸音性能进行了对比 F1 系统对比 F2 系统体系的整体吸音性能得到了极大的提 升 主要原因在于 F1 具有较高的开孔率 当声波在泡沫 F1 中进行传递时 声波可以深入 到泡孔深处 引起泡孔间隙内的空气的振动 由于摩擦和粘滞力的作用 使相当一部分声 能转化为热能 从而使声波衰减 反射声减弱达到吸声的目的 而声波在 F2 中传播时 声波在泡孔壁膜上形成反射 无法有效地引起孔壁的振动 吸声系数自然偏低 01000200030004000500060007000 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Absorption Coefficient Frequency Hz F1 F2 图 3 顶棚泡沫吸音曲线 结论结论 北京科聚开发的顶棚组合料系统可以很好的应用于湿法汽车顶棚泡沫的制备 采用市 场上常见的聚醚原料 研究了热塑性硬泡的制备工艺 掌握调整配方的基本原理 对于顶 棚泡沫