聚氨酯化学与工艺7泡沫

聚氨酯化学与工艺Chap.4聚氨酯泡沫塑料•4.5软质聚氨酯泡沫塑料教学目的及要求通过本章的学习，了解聚氨酯泡沫材料的分类，熟悉掌握形成泡沫的化学反应、成泡原理、稳定原理，了解泡沫材料的加工工艺方法，了解块状泡沫、模塑泡沫的制备方法，掌握制备泡沫材料所用原料种类，熟悉软泡、硬泡、高回弹等泡沫的配方计算方法，了解泡沫材料的用途。4.4配方异氰酸酯用量的基本计算聚氨酯泡沫塑料基本配方中一般含聚醚多元醇(或聚酯多元醇)、水(化学发泡剂)、物理发泡剂、泡沫稳定剂(匀泡剂)、催化剂及异氰酸酯等。在聚氨酯泡沫塑料配方设计或表达时通常以100质量份多元醇为基准，配方其余组分则一般表示为“份／100份多元醇”，或直接表示为多少份。配方表示举例：密度8kg/m3软泡配方原料聚醚TMN3050(羟值56mgKOH/g)100水7硅油DABCODC1882.8辛酸亚锡0.7胺催化剂DABCOCS-940.17二氯甲烷30TDI指数117密度，kg/m38密度28kg/m3软泡配方原料聚醚Voranol3010100水2.2硅油23701.2辛酸亚锡0.17三乙烯二胺（33％溶液）0.3CFC-1110TDI指数107TDI80/2040.9密度，kg/m328性能：密度，kg/m328.2压陷硬度，65％,N12025%,N45拉伸强度，Kpa55.3撕裂强度，N/cm1.54伸长率，％188回弹率，％45按配方中的含羟基(或胺基)及水的用量，可计算需耗用多异氰酸酯的用量。异氰酸酯用量还可以用异氰酸酯指数来表示，若计算异氰酸酯正好与活泼氢基团完全反应，则异氰酸酯指数为100(有时用1.00)，若异氰酸酯指数为105(或1.05)，则表示异氰酸酯过量5％。(1)由聚醚(或聚酯)多元醇的羟值或相对分子质量可计算每份多元醇所需异氰酸酯的单元用量(质量)。软泡所用的多异氰酸酯以TDI为主，所需TDI的单元用量设为M1T，硬泡以及部分冷熟化模塑软泡等采用粗MDI(即PAPI)，设其单元用量为M1M。1M1421Q42QM=0.0007556100NCO%56100NCO%NCO%Q´???1T1174.11f174.1M=87.05f/MM2M2f´??式中，Q为多元醇的羟值，M和f分别表示多元醇的分子量和平均官能度，174.1和2分别是TDI的分子量和官能度，NCO%和42分别是异氰酸酯中的NCO质量分数(可稍有差异)和NCO的摩尔质量。若采用PAPI，则可异氰酸酯的NCO%质量分数为0.30左右)，进行各项计算。计算式为：(2)计算每份水所需消耗异氰酸酯的用量M2T＝(1／18.02)×174.1＝9.67M2M＝(1／18.02)×2/(0.30／42)＝15.54式中，M2T和M2M分别表示每l份水所需TDI和PAPI的用量，18.02是水的相对分子质量，根据反应方程式，1个水分子消耗2个NCO(如1个TDI分子)。配方中化学发泡剂水的用量一般指总的水用量，除加入的水外，还包括聚醚多元醇及其它组分所含的水分。由于多元醇含有少量水分，100份多元醇所含的水分就较可观，一般需把多元醇及填料、助剂中所含的水分计算在内。(3)其它含活性氢组分所需TDI的计算若使用三亚乙基二胺的33％溶液，则需计算67％‘溶剂’如二丙二醇或其它二醇的用量及所需TDI的用量。泡沫中有时使用交联剂如二乙醇胺等，亦可用1T1174.11f174.1M=87.05f/MM2M2f´??计算所需TDI或PAPI等的用量。一些常见的活性氢组分每质量份所需消耗的TDI用量见下表。含活泼氢组分分子量M官能度fTDI用量（份/份）多元醇可变可变0.00155×羟值水18.0229.67DABCO33LV0.870二甲基乙醇胺89.110.977二乙醇胺105.132.485三乙醇胺149.231.751乙二醇62.0622.806丙二醇76.0822.289二丙二醇134.221.298二乙二醇106.121.642配方中某些成分消耗的TDI质量(4)计算整个配方所需异氰酸酯的用量把每质量份含活性氢原料所需消耗的异氰酸酯分别乘以实际用量，加和后乘以异氰酸酯指数即得整个配方所需异氰酸酯的用量。例如，在软泡生产中，一次用68kg多元醇(羟值56mgKOH／g，含水分0.1％)，配方中加水3份／l00份多元醇，不计其它助剂消耗的TDI，TDI指数为105，TDI纯度以l00％计，则TDI的用量为：68[(0.0015556+(0.03+0.001)9.67]1.05100%(5.90+20.38)1.0527.59(kg)100%计算方法二：式中：Miso－异氰酸酯的质量Xi－聚合物多元醇的份数Mi－聚合物多元醇的质量Q－聚合物多元醇的羟值ΣH2O－水的总量（包括实际加水量和材料含水量）MK－扩链剂的质量NK－扩链剂的当量Niso－异氰酸酯的当量P－异氰酸酯的纯度K－异氰酸酯指数2HOikisoisokMMMM=NK/p561009NQ骣÷ç÷ç÷ç÷ç÷++创ç÷ç÷ç÷÷ç÷ç÷ç桫åå计算举例：已知一一步法PU软泡配方如下，计算TDI用量聚氧化丙稀醚三醇（羟值56mgKOH/g，含水0.1%)70聚氧化丙稀醚二醇（羟值112mgKOH/g，含水0.2%)30Dabco33LV（67％的二丙二醇溶液）0.1水3.3T-90.2T-120.1TDI(80/20)指数(纯度99％）1.05计算TDI加入量即100克多元醇中加入TDI47.28克iso7030700.1%300.2%3.30.167%M=87.051.05/99%47.28561005610096756112骣÷ç÷ç÷???ç÷ç+++创=÷ç÷ç÷ç÷÷ç÷ç桫4.5软质聚氨酯泡沫塑料4.5.1特性及分类4.5.2块状软泡4.5.2.1箱式发泡工艺4.5.2.2连续发泡软泡生产工艺4.5.2.3连续法块泡生产设备4.5.2.4软泡的后加工4.5.2.5配方原料体系对块泡性能的影响5.4.2.6环境因素对块泡物性的影响4.5.3模塑软泡4.5.4特种软质泡沫塑料4.5.1特性及分类1、定义及特性定义：软质聚氨酯泡沫塑料(flexiblePUfoam,简称聚氨酯软泡)是指具有一定弹性的一类柔软性聚氨酯泡沫塑料。它是用量最大的一种聚氨酯产品。特性：聚氨酯软泡的泡孔结构多为开孔的。一般具有密度低、弹性回复好、吸音、透气、保温等性能。主要用作家具、垫材、交通工具座椅垫材、各种软性衬垫层压复合材料，工业和民用上也把软泡用作过滤材料、隔音材料、防震材料、装饰材料、包装材料及隔热保温材料等。在聚氨酯泡沫塑料制品中，有60%以上是软泡。2、分类1）按软硬程度即耐负荷性能的不同：聚氨酯软泡可分为普通软泡、超柔软泡沫、高承载型软泡、高回弹泡沫等。2）生产工艺可分为：块状泡沫及模塑软泡．块状泡沫：通过连续法生产的大体积泡沫再切割成所需形状的泡沫制品。模塑软泡：一般为间隙法生产，原料直接在模具中发泡成型，即制成所需形状的泡沫制品。模塑泡沫按熟化方式分，可分为热熟化和冷熟化软泡。3）以多元醇原料分：聚酯型软泡和聚醚型软泡。目前聚氨酯软泡中有90％是用聚醚多元醇生产的，大部分为通用软泡(块状泡沫为主)和高回弹软泡，还有一少部分特种软泡，如超柔软泡沫塑料、高承载泡沫塑料、亲水性软泡、吸音泡沫塑料和过滤用软泡等。4）生产方法一步法和预聚体法预聚体法（即先由聚醚多元醇和过量的TDI反应，制成含有游离NCO基的预聚体，后与水、催化剂、稳定剂等混合制成泡沫），预聚法生产流程长，成本高，仅在一些特殊产品的生产中采用。一步法（各物料通过计量直接进入混合头混合，一步制造泡沫塑料）。目前的普通聚氨酯软泡几乎都是用一步法生产，依其生产方式之不同，可分为连续式和间歇式。块状软质聚氨酯泡沫塑料(简称块状软泡)是以大体积泡沫形式生产的软质聚氨酯泡沫塑料。块状软泡的生产方式主要有连续机械发泡和箱式间隙发泡两种，得到的大块泡沫“半成品”根据需要切割成型片状或其它形状的制品。4.5.2块状软泡4.5.2.1箱式发泡工艺小规模生产块状软泡通常采用箱式发泡工艺，这是一种间隙式生产工艺。这种发泡方法是在实验室手工发泡的基础上发展起来的。采用箱式发泡法生产软泡的优点主要有：设备投资少，占地面积小，设备结构简单，操作和维修简单方便，生产机动灵活。箱式发泡的工艺参数应控制在一定范围，因为即使相同的配方，采用不同工艺参数制得的泡沫性能也一不定相同。原料温度可控制在（25±3）℃，搅拌速度900～1000r/min，搅拌时间5～12s。加TDI之前聚醚及助剂混合物搅拌时间可根据情况灵活掌握，加TDI之后搅拌时间为3～5s即可，关键是加入TDI后必须混合均匀。箱式发泡原理示意图1、原料储罐2、计量泵组3、控制柜4、可升降混合桶5、发泡箱6、成品7、上浮板箱式发泡示意图4.5.2.2连续发泡软泡生产工艺连续发泡块状软泡的生产可分为几个阶段，即：备料、发泡、连续泡沫的切断、熟化及块泡切割加工。1、流量的标定首先是物料的准备和流量的标定。各组分在发泡时所需的工作流量，通常是以多元醇的流量为计算基础，根据确定的发泡总流量水平推算出来的，然后用查图法查出各计量泵所需的工作转速或游标定位值。各组分工作流量的计算步骤如下：(1)确定发泡基本配方，即各物料配比。(2)催化剂配制，根据发泡时胺组分及锡组分以及其它组分(如色料等)的多元醇稀释比例，计算出胺组分、锡组分及其它组分的配比，同时在聚醚多元醇的配比中减去分散在胺、锡等组分中的稀释用多元醇份数，得到发泡时各实际组分的配比。(3)计算出所有发泡组分的总用量(质量份)。(4)根据确定的发泡机每分钟总流量与上述总用量的比值，计算各组分的扩大系数；以扩大系数乘以各组分的配比份数，即得到各组分每分钟所得的流量。块泡工艺示意图2、发泡过程反应物料经计量泵计量后进入混合头中混合。开始操作发泡机时，通常在很短的时间依次加入聚醚多元醇、发泡剂、匀泡剂和催化剂，最后加入TDI。位置基本固定的混合头将反应物料浇注在运行着的传送带上，在传送带上出现三个反应区段。清浆区：开始的第一段(Ⅰ区)料液基本透明，此时刚开始反应．尚未有气体析出，称为清浆区。乳白区：在离浇注口一段距离时发泡反应开始，混合物略有膨胀．料液发白，此为第二段(Ⅱ区)，为乳白区。上升区：经过一定时间后，发泡反应明显加快，形成泡沫体，泡沫高度不断升高，这时到了第三段(Ⅲ区)，称为上升区。发泡所需的全部时间因原料和配方而异。一般来说，在Ⅱ区的时间为5～12s，上升时间(起发到最大高度的时间)一般为60～130s。在混合物料注射后5min左右，泡沫可达足够的强度，以供切割成大块。3、熟化及切割（1）熟化与贮存泡沫材料的导热性差，大块泡沫体中间热量积聚，可达到较高温度，有烧芯甚至自燃的危险，因此，在泡沫熟化贮存区内，必须考虑泡沫块的堆放方式、通风和防火装置。（2）切割泡沫从输送带下来，首先必须切割成一定大小的大块泡，以便于贮放。除了用锋利刀具，还可将钢丝加热后切割软质泡沫塑料。块泡的储存5.4.2.3连续法块泡生产设备1、基本发泡设备连续法块泡生产线设备一般包括：各组分贮罐及配料罐，各组分计量系统，混合头及混合头支架系统，模纸(底纸及侧纸，如采用压板法平顶工艺，还配有顶纸)供料系统，块泡输送系统，模纸收卷系统，块泡切断机械，抽风排气系统，控制面板，块泡输送系统，块泡熟化系统。Hennecke连续PU软泡（块泡）生产线1，3-papersystem2，Mixturedispensingplate3，Stationarystirrermixer4，Calibrationdevice5，Fall-platesystem6，Flattopper7，Curingsection1、3-papersystem2、Mixturedispensingplate3、Stationarystirermixer4、Calibrationdevice5、Flat-topper6、Curingsection7、Meteringsyste