1、聚氨酯泡沫材料一、概況聚氨酯是聚氨基甲酸酯的簡稱。凡是在高分子主鏈上含有許多重復的-NHCOO-基團的高分子化合物統稱為聚氨基甲酸酯。一般聚氨酯系由二元或多元有機異氰酸酯(通常為甲苯二異氰酸酯，簡稱TDI)與多元醇化合物（聚醚多元醇或聚酯多元醇）相互作用而得。由于聚氨酯的結構不同，性能也不一樣。利用這種性質，聚氨酯類聚合物可以分別制成塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑等。近二十年來，聚氨酯在這幾個方面的應用都發展很快，特別是聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯橡膠、聚氨酯涂料發展更加迅速。泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品種之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相對密度較小，質輕，隔熱隔音，比強度高，減振等優異特性

2、。根據所用原料不同和配方的變化，可制成軟質、半硬質和硬質聚氨酯泡沫塑料幾種。圖1 聚氨酯泡沫合成主要原料1.1聚氨酯泡沫形成的化學機理多元醇與多異氰酸酯生成聚氨酯的反應，是所有聚氨酯泡沫塑料制備中都存在的反應。發泡過程中的“凝膠反應”一般即指氨基甲酸酯的形成反應。因為泡沫原料采用多官能度原料，得到的是交聯網絡，這使得發泡體系能夠迅速凝膠。基團反應如下：NCO+OHNHCOO在有水存在的發泡體系中，例如聚氨酯軟泡發泡體系、水發泡聚氨酯硬泡體系，多異氰酸酯與水的反應不僅生成脲的交聯（凝膠反應），而且是重要的產氣發泡反應。所謂“發泡反應”，一般是指有水參加的反應。NCO+H2O+OCNNHCONH+

3、CO2上述幾個反應產生大量的熱，這些熱量可促使反應體系溫度迅速增加，是發泡反應在短時間內完成。并且，反應熱為物理發泡劑（輔助發泡劑）的氣化發泡提供了能量二、軟質聚氨酯泡沫塑料軟質聚氨酯泡沫塑料（簡稱聚氨酯軟泡）是指具有一定彈性的一類柔軟性聚氨酯泡沫塑料，它是用量最大的一種聚氨酯產品。聚氨酯軟泡的泡孔結構多為開孔的。一般具有密度低、抗氧化老化、耐油耐溶劑、彈性回復好、吸音、透氣、保溫性能，主要用作家具墊材、交通工具座椅墊材、各種軟性襯墊層壓復合材料，工業和民用上也把軟泡用作過濾材料、隔音材料、防震材料、裝飾材料、包裝材料及隔熱保溫材料2.1發泡原理及工藝2.1.1預聚體法發泡工藝原理預聚體法發泡

4、工藝通常應用于聚醚型泡沫塑料。而聚酯型泡沫塑料因聚酯本身粘度較大，生成預聚體后粘度更大，在發泡時不易操作，一般都不用此法。預聚體法發泡工藝既是將聚醚多元醇和而異氰酸酯先制成預聚體，然后在預聚體中加入水、催化劑、表面活性劑和其他添加劑，載高速攪拌下混合進行發泡。固化后在一定溫度下熟化即軟質泡沫塑料。其流程示意圖如下聚醚多元醇預聚體二異氰酸酯水催化劑表面活性劑添加劑圖2 預聚體發泡流程示意圖2.1.2預聚體工業制法及其發泡工藝實例：在帶有攪拌的干燥反應釜中加入聚酯，然后在室溫下，在攪拌的同時加入異氰酸酯，由于異氰酸酯和聚酯的反應放熱，因此必須根據釜的批量大小來控制異氰酸酯的加入速度，是反應溫度不超

5、過90，加完后繼續在90溫度下，保持反應1h左右，冷卻后裝入干燥容器中即為成品。在生產過程中最好能始終通入氮氣，以排除系統中的水分。發泡工藝：實驗室小量發泡一般采用手工發泡，即將預聚體、水、催化劑、表面活性劑及添加劑等一次加入，在高速攪拌23s后傾入模具內進行發泡。半預聚體發泡工藝。聚醚多元醇預聚體二異氰酸酯聚醚多元醇水泡沫制品發泡表面活性劑叔胺及其他催化劑圖3 半預聚體發泡工藝流程圖半預聚體法發泡工藝目前在一般軟質泡沫塑料中采用較少，大部分用于制造半硬質制品。目的是為了較好的調節物料粘度和泡沫凝膠強度。2.1.3 一步發泡工藝一步發泡工藝是目前普遍采用的制造工藝，主要是將聚醚（或聚酯）多元醇

6、、二異氰酸酯、水、催化劑、泡沫穩定劑及其他添加劑等原料一步加入，在高速攪拌下混合后進行發泡。由于使用了有機錫等催化劑，反應速度較快，放熱時溫度較高，不需要在發泡后在進行加熱熟化，并采用了有機硅泡沫穩定劑，因而在聚醚等物料粘度較低的情況下也能得到泡孔較為均勻的泡沫制品。加上不需要預聚體的反應裝置，因而具有工藝簡單、設備投資少、易于操作管理等優點。由于物料粘度較小，對制造低密度和模塑成型制品尤為有利，因而目前絕大部分生產已采用一步法發泡工藝。其流程圖如下聚醚（或聚酯）多元醇多異氰酸酯泡沫制品發泡混合水催化劑表面活性劑外發泡劑及其他添加劑圖4 一步發泡工藝示意圖2.1.4 箱式發泡工藝小規模生產塊狀

7、軟泡通常采用箱式發泡工藝，這是一種間歇式生產工藝，這種發泡方法適用于實驗室手工發泡。 反應物料混勻后立即倒入一只木制或鐵皮制成的箱子一樣的敞口模具中發泡成型，故得名“箱式發泡”。箱式發泡的主要設備包括：電控機械攪拌器，混合料筒；模具（箱）；稱量工具，如天平、臺秤、量杯、玻璃注射器等計量工具；用于控制攪拌時間的秒表。生產時，需在箱內壁涂用少量脫模劑，使泡沫容易脫出。2.2軟質聚氨酯泡沫塑料的其他品種2.2.1高回彈軟質泡沫塑料高回彈軟質泡沫塑料，又稱“HR”泡沫（high resiliency foam）。由于這類泡沫制品可以冷熟化，加工工藝簡單，物性優良，因而引起各工業部門的重視，應用也日益廣

8、泛，它和常規熱熟化泡沫塑料相比有諸多優點。（1） 優良的機械性能 高回彈泡沫制品和一般制品相比，具有較高的彈性；低的滯后損失；較高的壓縮復合比值；類似乳膠表面的手感和良好的透氣性。（2） 消耗能量低 高回彈泡沫由于可以冷熟化，因而在生產中耗能低。（3） 具有較好的耐燃性 高回彈泡沫塑料由于其特有的內在分子結構，因而比一般泡沫塑料有較低的可燃性，不含或含少量阻燃劑的制品即可達到自息級標準。2.2.2阻燃性軟質泡沫普通聚氨酯泡沫塑料都為可燃性聚合物。特別是軟質泡沫塑料，開孔率較高，密度較小，對空氣接觸面積大，因而較其他非泡沫聚氨酯更易燃燒，這給工業及生活使用帶來了一定的局限性。一般將阻燃性軟質泡沫

9、分為兩種：一種是添加型，即在泡沫制品中加入阻燃性物質，如各種含磷，氯、溴、硼等化合物，特別是幾種阻燃物質的混合物，更可產生協同效應，從而提高制品的阻燃性能；另一種是結構型，它在聚醚（或聚酯）多元醇或多異氰酸酯中引入磷、氯、溴、硼、氮等元素來達到阻燃目的。2.2.3半硬質泡沫半硬質泡沫塑料是聚氨酯塑料的一大品種。該制品的特點是具有較高的壓陷硬度和較高的密度。它的交聯密度遠高于軟質泡沫塑料而僅次于硬質制品2.2.4超柔軟泡沫塑料超柔軟聚氨酯泡沫塑料的特點是密度小壓縮強度低，一般都用于床墊、低負荷墊子和枕頭芯等方面2.2.5高密度泡沫橡膠高密度泡沫橡膠，又稱微孔軟質聚氨酯泡沫塑料，其通常密度為240

10、-960kg/m3，根據需要可制成開孔或閉孔型等各種產品。它與其他微孔橡膠相比，其特點是具有優異的物理性能，如較高的拉伸強度、撕裂強度和耐磨性能，它的避震性能也較好，承載負荷性能也優于一般通用橡膠。2.2.6親水性軟質泡沫塑料親水性聚氨酯軟質泡沫塑料大部分應用于制造海綿、地毯或織物襯里、耐火絕緣層等，最近在農藝、花卉種植方面用于人工土壤，它對水有較大的親和力和較大的吸水率。三、硬質聚氨酯泡沫硬質聚氨酯泡米塑料是指在一定負荷作用下不發生明顯形變。當負荷過大發生形變后不能恢復到初始狀態的泡沫塑料。它是一種性能優良的絕熱材料和結構材料。其主要特點是：質量輕、比強度高、熱導率小、性能好，應用范圍廣、絕

11、緣效果好、重量輕、比強度大耐化學腐蝕和隔音效果好。在聚氨酯各類產品中，產量僅次于軟質泡沫塑料。3.1 主要合成原料硬質聚氨酯泡沫塑料的主要原料中異氰酸酯常用多苯基多次甲基多異氰酸酯（MDI）。3.2 發泡方法生產硬質聚氨酯泡沫塑料有三種方法：預聚法、半預聚法和一步法。（1）預聚法是把全部的聚醚多元醇（或聚酯多元醇）和異氰酸酯反應，生成預聚體；在催化劑的作用下，預聚體與水反應生成泡沫塑料。泡沫塑料的密度取決于游離異氰酸酯基（NCO）的含量和水的用量。（2）半預聚體法制備預聚體，首先把過量的多異氰酸酯和配方中的部分多元醇反應，所得預聚體的游離NCO含量范圍在20%-35%之間。發泡時，把預聚體和剩

12、余的聚醚多元醇（或聚酯多元醇）、發泡劑、穩定劑、催化劑等混合，反應而得到泡沫塑料。（3）一步法發泡是指聚醚或聚酯多元醇、異氰酸酯、催化劑、泡沫穩定劑、發泡劑等原料經過計量全部混合在一起，發生化學反應后生成硬質泡沫塑料的方法。大部分的一步法是在室溫下進行的，所以，用于一步法反應的各種原料在室溫下最好是液體，并要求各原料相互間的混溶性好。3.3成型工藝3.3.1 手工發泡硬質聚氨酯泡沫塑料最簡便的成型方法是手工發泡（澆注發泡）。把各種原料精確稱量后，置于一容器中，然后立即把這些原料混合均勻，注入到模具或需要填充泡沫塑料的空腔中去，立即發行化學反應并發泡后得到泡沫塑料。手工發泡的原材料利用率低，一般

13、約有5%-10%的原料粘附在容器壁上。手工發泡只適用于現場臨時施工或生產少量不定型的制品或制作泡沫塑料試樣。3.3.2 噴涂發泡噴涂發泡成型是指把硬質聚氨酯泡沫的原料直接噴射到無間的表面，并在表面上發泡的成型方法，噴涂發泡主要應用于硬質泡沫塑料。3.3.3反應注射模塑（RIM）就是把多種反應性較高的液體原料，通過混合頭，注射到密閉餓模具中成型的方法。RIM過程對原料要求是反應活性大，黏度小3.4 硬質聚氨酯泡沫的應用（1）食品等行業冷凍冷藏設備:如冰箱、冰柜、冷庫、冷藏車等，聚氨酯硬泡是冷凍冷藏設備的最理想的絕熱材料。（2）工業設備保溫:如儲罐、管道等。（3）建筑材料:在歐美發達國家，建筑用聚氨酯硬泡占硬泡總消耗量的一半左右，是冰箱、冰柜等硬泡用量的一倍以上;在中國，硬泡在建筑業的應用還不像西方發達國家那樣普遍，所以發展的潛力非常大。（4）交通運輸業:如汽車頂篷、內飾件等。（5）仿木材:高密度(密度3007