攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料力學(xué)性能的影響

趙瑞超，蓋東杰, 顧 堯

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料力學(xué)性能的影響

趙瑞超，蓋東杰, 顧 堯

(青島科技大學(xué) 橡塑材料與工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266042)

聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料是由大量泡孔和基體組成的，泡孔孔徑對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的性能產(chǎn)生很大影響。改變塑料發(fā)泡時(shí)料液的攪拌速率能夠得到泡孔孔徑不同的聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料，且泡孔孔徑在一定范圍內(nèi)隨攪拌速率的增加而減小。研究了攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的承載能力和回彈性隨攪拌速率的增大而增大，而拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度先增大后減小。

攪拌速率；泡孔孔徑；回彈性；力學(xué)性能

0 前言

聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料在吸震、分散壓力、提高舒適性等方面具有特殊優(yōu)勢，并且在撤銷壓力后能夠回復(fù)，主要用于沙發(fā)、床墊和汽車座椅等[1]。國內(nèi)外對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料進(jìn)行了大量研究，發(fā)現(xiàn)聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的性能，如持久性和高回彈性等，與泡孔孔徑有關(guān)，而泡孔孔徑是由攪拌速率控制的，因此研究聚氨酯發(fā)泡時(shí)攪拌速率對其力學(xué)性能的影響具有重要的意義[2]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

MDI-50 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的4,4′-二苯基甲烷二異氰酸酯和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的2,4-二苯基甲烷二異氰酸酯);

聚醚多元醇330N;

A-1 (以一縮二丙二醇為溶劑配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的雙二甲氨基乙基醚溶液);

A-33 (三亞乙基二胺溶于一縮二丙二醇中所配制的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為33%的溶液);

硅油，乙醇胺(商用品)。

1.2 儀器與設(shè)備

電子天平，余姚紀(jì)稱重校驗(yàn)設(shè)備有限公司；

模具，200 mm×200 mm×50 mm，自制；

電子計(jì)價(jià)臺秤TCS-K，上海華德衡器有限公司；

偏光顯微鏡 DM 2500P，LEICA；

落球回彈測定儀 CSS-96，寧波聯(lián)合測試儀器廠；

泡沫壓陷硬度儀，北京北廣精儀儀器設(shè)備有限公司；

AZ-7000M拉力試驗(yàn)機(jī)，臺灣高鐵科技股份有限公司；

電動攪拌機(jī)，上海普力通工具有限公司；

固定底座，實(shí)驗(yàn)室自制。

1.3 聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的制備

聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的基礎(chǔ)配方，如表1所示。

表1 聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料發(fā)泡配方

首先組裝實(shí)驗(yàn)裝置，將聚醚330N、催化劑A-1和A-33、硅油、交聯(lián)劑乙醇胺、化學(xué)發(fā)泡劑水，加入不銹鋼杯中，然后將不銹鋼杯置于固定底座上，將攪拌槳深入混合液中。設(shè)置攪拌速率后開啟攪拌，10 s后停止攪拌，迅速加入計(jì)量好的MDI-50，攪拌6 s。最后迅速將料液倒入模具中，鎖模、發(fā)泡。180 s后開啟模具，取出泡沫塑料，熟化。按照上述實(shí)驗(yàn)方法操作，改變攪拌速率，制備一系列聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料。將聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料做成薄片，在偏光顯微鏡下觀察聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的泡孔結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行回彈性能和力學(xué)性能的測試。

1.4 測試和表征

在偏光顯微鏡下觀察聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的泡孔。

回彈性 按照GB/T6670—2008測定[3]；

拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率 按照GB/T 6344—2008測定[4]；

撕裂強(qiáng)度 按照GB/T 10808—2006測定[5]；

壓陷硬度 按照GB/T 10807—2006測定[6]。

壓陷比為壓陷65%的力與壓陷25%的力之比。

2 結(jié)果與討論

2.1 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料泡孔孔徑的影響

攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料泡孔孔徑的影響，如圖1所示。由圖1可見 ：聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的泡孔大部分為開孔，只有少部分泡孔閉孔，而該部分的泡孔也和其它泡孔相連，可以認(rèn)為是開孔的，所以在本實(shí)驗(yàn)條件下制備的聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料為開孔的泡沫塑料。由圖1可見：攪拌速率在416～1 250 r/min時(shí)，泡孔孔徑隨著攪拌速率的增加而減小。這主要是因?yàn)閿嚢杷俾试黾?，異氰酸酯基團(tuán)與水碰撞機(jī)會增大，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的發(fā)泡反應(yīng)速率增大，二氧化碳的產(chǎn)生速率就會加快，同時(shí)更多的異氰酸酯基團(tuán)與水反應(yīng)，二氧化碳的量也會增加；另一方面，攪拌速率增大也會將更多的空氣帶入到了料液中，這些被帶入料液中的空氣連同發(fā)泡時(shí)產(chǎn)生的二氧化碳一起參與核化，由于物料的反應(yīng)量一定，氣體在料液中飽和度一定，體系中的二氧化碳越多，形成的氣泡核越多，泡孔體積越小。另外，攪拌能破壞二氧化碳在體系中的穩(wěn)定性，有助于成核，致使泡孔數(shù)量增加，泡孔體積減小，所以攪拌速率越大，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料泡孔孔徑越小。

2.2 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料力學(xué)性能的影響

2.2.1 回彈性

制備的聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的密度為52.4～54.1 kg/m3。攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料回彈性的影響，如圖2所示。由圖2可見：攪拌速率為600～1 250 r/min時(shí),聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的回彈性隨著攪拌速率的增加而增加，即回彈性隨著泡孔孔徑減小而增加。這是因?yàn)槭艿酵饬ψ饔脮r(shí)，大泡孔的壓縮形變量大，恢復(fù)到起始位置時(shí)需要較長時(shí)間，而且存在不可恢復(fù)的形變，所以回彈性較差；而小泡孔的半徑較小，受到同等壓力時(shí)，不可恢復(fù)的形變量相對較小，壓力撤銷時(shí)，能在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到起始位置，回彈性較好，所以小泡孔對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料回彈率的貢獻(xiàn)要大于大泡孔的，即在同一體系中，具有較大比例小泡孔的泡沫塑料將具有較大的回彈率。

A 416 r/min；B 625 r/min；C 833 r/min；D 1 250 r/min

圖2 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料回彈性的影響

2.2.2 承載性能

攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料承載性能的影響，如圖3所示。由圖3可見：在攪拌速率為600～1 250 r/min-1時(shí),聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的承載性能隨著攪拌速率的增加而增加，且后期增加的幅度較大。壓陷比表征了聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的承載能力，其值越大，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的承載能力越好，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的承載能力隨著攪拌速率的增加而增加，即承載能力隨著泡孔孔徑的減小而增加。泡孔孔徑減小，單位體積內(nèi)擁有的泡孔數(shù)量越多，泡孔骨架也越多。在微觀上，泡孔骨架強(qiáng)度表現(xiàn)在聚氨酯鏈段的氨基甲酸酯-脲基化合物上，骨架越多，其含量也越多。氨基甲酸酯-脲基相互聚集，形成物理交聯(lián)點(diǎn)，當(dāng)受到外力時(shí)，外力由硬段向軟段傳遞，可以抵消較大的力，具有良好的承載性能，此外，氨基甲酸酯-脲基相互聚集產(chǎn)生大量的氫鍵，提高了承載性能。宏觀上，泡孔骨架起支撐泡孔的作用，表現(xiàn)在塑料泡沫的承載力上，所以泡孔孔徑減小，承載力增大，即承載力隨著攪拌速率的增大而增大。

圖3 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料承載性能的影響

2.2.3 拉伸強(qiáng)度

攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料拉伸強(qiáng)度的影響，如圖4所示。由圖4可見：在攪拌速率為600～750 r/min-1時(shí),聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的回彈性隨攪拌速率的增加而增加，在750～1 250 r/min時(shí)，拉伸強(qiáng)度隨著攪拌速率的增大迅速降低。這是因?yàn)閿嚢杷俾誓軌蛴绊懢郯滨ユ湺蔚慕Y(jié)晶度，球晶尺寸太大對力學(xué)性能不利，大球晶使材料斷裂伸長度和韌性降低，而小球晶分布在材料中起交聯(lián)點(diǎn)的作用，能夠提高材料的強(qiáng)度。增大攪拌速率，使球晶尺寸減小，拉伸強(qiáng)度增大；但攪拌速度過大，結(jié)晶度降低，甚至無結(jié)晶，這就會使材料的應(yīng)力-應(yīng)變特性發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原來的“硬而韌型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤败浂跣汀?，即彈性模量、斷裂?qiáng)度和拉伸強(qiáng)度降低；同時(shí)，攪拌速率過大，會使硬段區(qū)分子鏈間距的增加和氫鍵的減少，這樣均會使分子鏈間作用力下降，導(dǎo)致分子鏈間相對移動需要的拉力下降。這兩者都導(dǎo)致了聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的拉伸強(qiáng)度隨著攪拌速率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖4 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料拉伸強(qiáng)度的影響

2.2.4 撕裂強(qiáng)度

攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料撕裂強(qiáng)度的影響，如圖5所示。由圖5可見：在攪拌速率為600～750 r/min時(shí),聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的撕裂強(qiáng)度隨著攪拌速率的增加而增加，在750～1 250 r/min時(shí)，隨著攪拌速率的增大而減小。這是因?yàn)閿嚢杷俾视绊懡Y(jié)晶度，均勻分布的小球晶能夠提高材料的強(qiáng)度，而無球晶則使材料強(qiáng)度下降。其次，攪拌速率過大，致使硬段區(qū)分子鏈間距增加以及氫鍵減少，使分子鏈間作用力下降，分子間的分離變得更容易，使得撕裂強(qiáng)度隨著攪拌速率的增大而減小。因此，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的撕裂強(qiáng)度隨著攪拌速率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

圖5 攪拌速率對聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料撕裂強(qiáng)度的影響

3 結(jié)語

當(dāng)攪拌速率在1 250 r/min以下時(shí)，隨著攪拌速率的增大，泡孔孔徑逐漸減小。

(1) 隨著攪拌速率的增大，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的回彈性和承載能力增加。

(2) 隨著攪拌速率的增大，聚氨酯軟質(zhì)泡沫塑料的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度先增大后減小。

[1] 郭智臣. 亨斯邁推出全新聚氨酯泡沫床墊產(chǎn)品[J]. 化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料, 2015, 13(4):10.

[2] 梁書恩. 聚氨酯泡沫塑料泡孔結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能關(guān)系的研究[D]. 綿陽：中國工程物理研究院, 2005.

[3] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 6670—2008 軟質(zhì)泡沫聚合材料落球回彈性能的測定[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[4] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 6344—2008 軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長率的測定[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

[5] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 10808—2006高聚物多孔彈性材料撕裂強(qiáng)度的測定[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 10807—2006 軟質(zhì)泡沫聚合材料拉伸強(qiáng)度的測定(壓陷法)[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Effect of Stirring Rate on Mechanical Properties of Flexible Polyurethane Foam

ZHAORui-chao,GAIDong-jie，GUYao

(Key Laboratory of Ministry of Education of Rubber Materials and Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)

Flexible polyurethane foam is made from a large number of cells and matrixes, and the performance is affected by cell sizes. Changing the stirring rate can obtain flexible polyurethane foam with different cell sizes. The cell size of the flexible polyurethane foam decreases when the stirring rate increases. The influence of the stirring rate on mechanical properties of the flexible polyurethane foam is studied. The results show that the carrying capacity and resilience are increased with increasing of the cell size, however tensile strength and tear strength are increased and then decreased with increasing of the cell size.

stirring rate; cell size; resilience; mechanical property

趙瑞超(1990—)，男，碩士，從事功能及特種高分子材料的研究

TQ 328.1

A

1009-5993(2016)04-0048-04

2016-09-06)