《聚氨酯的发泡工艺》

聚氨酯的发泡工艺摘要：聚氨酯泡沫制品，是近年新开发的一种高分子合成的新型节能材料，它具有施工方便、快捷、现场损耗小、使用安全、性能稳定、阻燃性好，符合环保要求分为软质、硬质、半硬质泡沫三大类别。其中硬质聚氨酯泡沫材料，广泛用于家电保温（冰箱、冷柜、热水器、太阳能热水器、热泵热水器、啤酒保鲜桶、保温箱）、设备保温（供热管道、原油化工管道、罐体、冷藏运输）、建筑节能（外墙保温、屋面防水保温、冷库、建筑板材、防盗门/车库门、卷帘门）等隔热保温领域以及包装、装修装饰关键词：聚氨酯发泡保温Abstract:Polyurethamefoamisthebestperformanceofthefoaminsulation,duetoexceuentperformanceintheinsulationfield,thereisavastmarket.Thisarticlediscussestheccomponentpolyurethamefoam,foamcraftandfoamingprocesscontrol,polyarethaneandpolyurethanefoammoldingequipmentintroductionofinsulationinthewall.Keywords:Polyurethame FoamInsulathon引言聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，它是由有机二异氤酸酯或多异氤酸酯与二羟基或多羟基化合物加聚而成。聚氨酯大分子中除了氨基甲酸酯外，还可含有醚、酯、脲、缩二脲，脲基甲酸酯等基团。主链含一NHCOO一重复结构单元的一类聚合物。英文缩写PU。。由于含强极性的氨基甲酸酯基，不溶于非极性基团，具有良好的耐油性、韧性、耐磨性、耐老化性和粘合性。用不同原料可制得适应较宽温度范围（一50〜150。0的材料，包括弹性体、热塑性树脂和热固性树脂。高温下不耐水解，亦不耐碱性质。常用的单体如甲苯二异氤酸酯、二异氤酸酯二苯甲烷等。多元醇分3类：简单多元醇（乙二醇、丙三醇等）；含末端羟基的聚酯低聚物，用来制备聚酯型聚氨酯；含末端羟基的聚醚低聚物，用来制备聚醚型聚氨酯。聚合方法随材料性质而不同。合成弹性体时先制备低分子量二元醇，再与过量芳族异氤酸酯反应，生成异氤酸酯为端基的预聚物，再同丁二醇扩链，得到热塑弹性体；若用芳族二胺扩链并进一步交联，得到浇铸型弹性体。预聚物用肼或二元胺扩链，得到弹性纤维；异氤酸酯过量较多的预聚体与催化剂、发泡剂混合，可直接得到硬质泡沫塑料。如将单体、聚醚、水、催化剂等混合，一步反应即可得到软质泡沫塑料。单体与多元醇在溶液中反应，可得到涂料；胶粘剂则以多异氤酸酯单体和低分子量聚酯或聚醚在使用时混合并进行反应。聚氨酯弹性体用作滚筒、传送带、软管、汽车零件、鞋底、合成皮革、电线电缆和医用人工脏器等；软质泡沫体用于车辆、居室、服装的衬垫，硬质泡沫体用作隔热、吸音、包装、绝缘以及低发泡合成木材，涂料用于高级车辆、家具、木和金属防护，水池水坝和建筑防渗漏材料，以及织物涂层等。胶粘剂对金属、玻璃、陶瓷、皮革、纤维等都有良好的粘着力。此外聚氨酯还可制成乳液、磁性材料等。聚氨酯（简称PU）是由多异氤酸酯和聚醚多元醇或多元醇或/及小分子多元醇、多元胺或水等扩链剂或交联剂等原料制成的聚合物。通过改变原料种类及组成，可以大幅度地改变产品形态及其性能，得到从柔软到坚硬的最终产品。聚氨酯制品形态有软质、半硬质及硬质泡沫塑料、弹性体（聚氨酯弹性体主要又包含热塑性TPU和热固性一多以浇注工艺实现CPU）、油漆涂料、胶粘剂、密封胶、合成革涂层树脂、弹性纤维等，广泛应用于汽车制造、冰箱制造、交通运输、土木建筑、鞋类、合成革、织物、机电、石油化工、矿山机械、航空、医疗、农业等许多领域。1937年德国OttoBayer教授首先发现多异氤酸酯与多元醇化合物进行加聚反应可制得聚氨酯，并以此为基础进入工业化应用，英美等国1945〜1947年从德国获得聚氨酯树脂的制造技术于1950年相继开始工业化。日本1955年从德国Bayer公司及美国DuPont公司引进聚氨酯工业化生产技术。20世纪50年代末我国聚氨酯工业开始起步，近十几年发展较快。而聚氨酯泡沫制品，是近年新开发的一种高分子合成的新型节能材料，它具有施工方便、快捷、现场损耗小、使用安全、性能稳定、阻燃性好，符合环保要求.分为软质、硬质、半硬质泡沫三大类别。其中硬质聚氨酯泡沫材料，广泛用于家电保温（冰箱、冷柜、热水器、太阳能热水器、热泵热水器、啤酒保鲜桶、保温箱）、设备保温（供热管道、原油化工管道、罐体、冷藏运输）、建筑节能（外墙保温、屋面防水保温、冷库、建筑板材、防盗门/车库门、卷帘门）等隔热保温领域以及包装、装修装饰（装饰板、仿木家具、工艺品）领域。1实验部分1、1实验原理聚氨酯是反应活性很高的化合物，它带有的一NCO是一个高度不饱和的基团，能与任何一种含有氢原子的化合物相互反应。在聚氨酯发泡成型过程中，自始至终都伴随着复杂的化学反应。这些反应有以下几种。(1“凝胶反应”即多异氤酸酯基与多元醇的羟基反应生成氨基甲酸酯基团:TOC\o"1-5"\h\z〜R〜NCO+HO〜R'f〜R〜NHCOO〜R’〜 (a)在有水存在的发泡体系中，多异氤酸酯与水反应，经过中间产物生成胺，并产生二氧化碳气体，即所谓的“发泡反应”：〜R〜NCO+H-O-H—〜R〜NHCOOH—RHNH+CO-O (b)生成的胺很快和过剩的异氤酸酯反应生成脲：〜R〜NCO+HNH〜R—〜R〜NHCONH〜R〜 (c)异氤酸酯与氨基甲酸酯氮原子上的氢反应生成脲基甲酸酯，是生成的线性聚合物形成支化和交联结构：〜R〜NCO+〜R〜NHCOO〜R’〜->〜R〜N(CONHR)COO〜R’〜(d)1、2实验仪器TY8000型电子万能实验机，HTY泡沫回弹系数测定仪，；QJZY236制试样机,电子天平、烧杯，搅拌器，发泡箱，聚氨酯发泡机(如下图所示)，玻璃棒。

1、3实验药品聚醚、聚酯和其他多元醇，异氤酸酯（粗DMA等），主要反应原料；水（链增长剂，化学发泡剂，产生二氧化碳）；，物理发泡剂（环戊烷），气化后作为气泡的来源，可移走反应产生的热;交联剂，提高泡沫的机械性能；催化剂，催化发泡和凝胶反应；发泡稳定剂（硅油），使泡沫稳定并控制泡沫的结构和大小；阻燃剂，使泡沫具有阻燃性；抗氧剂，提高抗氧化，抗热，抗湿老化性能；颜料，提供各种色泽。1、4实验方法和主要步骤1）实验原料的制备：A组分的制备：黑料一一fiMDI的俗称，也叫聚合MDI，化学名称是“多亚甲基苯基多异氤酸酯”，颜色一般是黑色，故称黑料，结构式为OCN-Ar-CH2-Ar-NCO。粗MDI的制备：以苯为原料进行硝化、加氢得到苯胺，苯胺与甲醛、盐酸反应合成二苯基甲烷二胺（MDA），通过控制反应条件，并进行异构体分离，得到4、4-MDA。在进行光气化反应，精制后得到MDI。白料一一聚醚多元醇的俗称，也称组合料。颜色为白色，故称白料。在带有搅拌的 反应釜中投入按一定比例混合的聚醚多元醇，在60-100摄氏度，0、1~0、6kPa 下脱水1~2倔降至室温，解除真空，加入丁。I,升温至80~90摄氏度，反应3〜4h,降至室温，取样分析测--NCO含量，当--NCO质量分数为4%-12%,外观为浅黄色粘稠液体时，装入充满氮气的包装桶，密封备用B组分的制备：将交联剂、扩链剂、增塑剂、填料、颜料按一定比例投入反应釜中混合均匀，经三辊磨机研磨细腻后，放入配料槽，加入发泡剂去离子水，搅拌均匀。然后用包装桶包装，密封备用。泡沫弹性体的制备将A、B两组分按质量比为11的比例混合，充分搅拌，浇注于模具中，固化成型，得聚氨酯泡沫弹性体，熟化10〜15d后进行测试。2）实验方法及实验步骤一、 预聚体法预聚体法发泡工艺是将（白料）和（黑料）先制成预聚体，然后在预聚体中加入水、催化剂、表面活性剂、其他添加剂等在高速搅拌下混合进行发泡，固化后在一定温度下熟化即可。二、 半预聚体法半预聚体法的发泡工艺是将部分聚醚多元醇（白料）和二异氤酸酯（黑料）先制成预聚体，然后将另一部分的聚醚或聚酯多元醇和二异氤酸酯、水、催化剂、表面活性剂、其他添加剂等加入，在高速搅拌下混合进行发泡。三、 一步发泡工艺将聚醚或聚酯多元醇（白料）和多异氤酸酯（黑料）、水、催化剂、表面活性剂、发泡剂、其他添加剂等原料一步加入，在高速搅拌下混合后进行发泡。一步发泡工艺是目前普遍采用的工艺。另外还有手工发泡法，那是最简便的方法，将所有原料准确称量后，置于一个容器中，然后立即将这些原料混合均匀，注入模具或需要充填泡沫塑料的空间中即可。注意：称量时一定要将多异氤酸酯（黑料）最后称入。聚氨酯硬泡一般为室温发泡，成型工艺比较简单。按施工机械化程度可分为手工发泡及机械发泡；按发泡时的压力可分为高压发泡及低压发泡；按成型方式可分为浇注发泡及喷涂发泡。（装饰板、仿木家具、工艺品）领域。1、5实验中出现的问题（1） 、如何控制“凝胶反应”和“发泡反应”的相对速度，以及控制初期反应使粘度增长不至过快，以充满模具腔：在泡沫制备中，催化剂包括两类：一类是叔胺类催化剂；一类是有机锡类催化剂。通常需要两种催化剂复合使用，才能实现发泡反应和凝胶反应之间的平衡，得到均匀成孔的泡沫（2） 、聚醚多元醇，在没有催化剂的条件下与异氰酸酯基反应较慢，不能获得稳定的泡沫体系。（3） 、漏泡：由于是发泡剂的量偏大；物料的温度过高；黑白料的配比偏小；模具的密封性能不好。（4） 、空泡：由于是排气不好;黑白料的比例太高;管道堵塞;灌注过程中突然停止，灌注量不足，密度分布不均匀；模具的温度太低。（5） 、涨泡；发泡量太多；发泡熟化时间短；黑料过多。（6） 、发泡剂的影响由于环戊烷是易燃易爆的物品，爆炸浓度范围是1.4%至8%，比重小，容易产生积聚，所以发泡现场要通风良好，作业时要穿棉质衣服，防止静电，禁止带火种或者是手机未关闭的情况下进行作业，废弃的物料不可以随处乱扔，白料扔进白料回收桶里，黑料要回收到黑料桶里。2实验结果与讨论发泡剂的选择：根据环保要求，本实验选用去离子水为发泡剂，在同一配方体系下，考察了去离子水对泡沫回弹时间及泡沫手感的影响。通过实验可知，，水量在10%至15%之间时泡沫回弹时间较长,手感较细腻，取得较好的效果。实验结果还表明，在聚氨酯泡沫制备中，加入催化剂不仅加快反应速度，更重要的是可通过不同的催化剂的用量比实现凝胶反应和发泡反应之间的平衡。这是因为水未来得及完全反应产生大量的CO2气体时，凝胶反应已经开始，因此导致泡沫迅速固化成型;由于水与异氤酸酯反应易形成脲，从而使泡沫舒适度下降，同时泡沫的慢回弹效果降低,手感变差，因此配方中水量不宜过大。如表1所示：表1去离子水的用量对产品性能的影响-NCO的质量分数/%0.0050、100、150、20密度/(g/cm'3)0.600.470、310、26回弹率/%10182426拉伸强度/MPa2、92、72、31、9撕裂强度/(KN/m)10、19、68、88、1伸长率/%150151145138硬度69666461由表1可见，随着去离子水用量的增加，制品密度降低，回弹率增大，而拉伸强度、撕裂强度、伸长率、硬度均略有降低。综合考虑应控制去离子水质质量分数在10%到15%之间最佳。催化剂的用量：在聚氨酯泡沫制备中，加入催化剂不仅加快反应速度，更重要的是可通过不同的催化剂的用量比实现凝胶反应和发泡反应之间的平衡。在泡沫制备中，催化剂包括两类：一类是叔胺类催化剂；一类是有机锡类催化剂。通常需要两种催化剂复合使用，才能实现发泡反应和凝胶反应之间的平衡，得到均匀成孔的泡沫、-NCO含量对聚氨酯泡沫弹性体硬度的影响表2-NCO含量对聚氨酯泡沫弹性体硬度的影响NCO质量分数/%4680124度更53846506(551由表2可知，聚氨酯泡沫弹性体的硬度随A组分NCO含量的增加而增大,这是由于当NCO含量增大时，硬段含量相应增加，分子中的极性基团增多,氢键易于形成，大大增强了硬段的集聚，制品的硬度提高。、硅油对泡孔结构的影响表3硅油的种类及数量对泡孔的影响硅油的质量分数/%0、150、1751、101、1251、182、10L2580体系塌泡闭孔孔粗闭孔孔细闭孔孔细闭孔孔细闭孔孔细B8002体系塌泡开孔孔粗开孔孔细开孔孔细开孔孔细闭孔孔细泡沫稳定剂决定着泡沫的开孔性及泡孔结构。由表3可知，在制备聚氨酯慢回弹泡沫时宜选用B28002硅油，其用量一般在1、10〜1、18份之间。1、 在聚氨酯泡沫制备中，加入催化剂不仅加快反应速度，更重要的是可通过不同的催化剂的用量比实现凝胶反应和发泡反应之间的平衡。2、 随着去离子水用量的增加，制品密度降低，回弹率增大，但随着水的增加，凝胶反应不完全，泡沫弹性小，所以水不宜太大，水量在10%至15%之间时泡沫回弹时间较长,手感较细腻，取得较好的效果。3、 发泡稳定剂的选择也很重要。泡沫稳定剂决定着泡沫的开孔性及泡孔结构。在制备聚氨酯慢回弹泡沫时宜选用B28002硅油，其用量一般在1、10〜1、18份之间。使泡沫手感细腻。4结束语毕业设计终于在今天划上了句号，它对我的影响是巨大的，在这段时间里，我懂得了如何发现问题并能分析解决问题，如何进行和改进实验，以及多种测试手段的操作。但出于个人知识水平有限，加之本人非聚氨酯相关专业出身，没能将实验进行得尽善尽