硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂發(fā)泡工藝研究

作者簡介：閆紅英（1977—），女，碩士研究生，工程師，研究方向?yàn)閺?fù)合材料。

摘要：在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面凹凸起伏較大、異型零部組件較多的復(fù)合材料產(chǎn)品表面制作硬質(zhì)聚氨酯泡沫絕熱防護(hù)層時(shí)，噴涂發(fā)泡工藝與澆注模塑成型的泡沫塊熟化、切割和粘接工藝相比，具有生產(chǎn)周期短，泡沫損失率低，生產(chǎn)成本和勞動(dòng)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)，且形成的泡沫整體性好，一致性高，無縫隙。提出了硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂發(fā)泡時(shí)物料之間的配比，通過工藝試驗(yàn)對(duì)發(fā)泡劑用量、環(huán)境溫度和環(huán)境濕度對(duì)泡沫性能的影響進(jìn)行了驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)泡劑質(zhì)量配比為35g，環(huán)境溫度不大于70%，環(huán)境溫度為15～35℃時(shí)，制備的泡沫性能優(yōu)良。

關(guān)鍵詞：聚氨酯泡沫? 噴涂? 環(huán)境濕度? 環(huán)境溫度

中圖分類號(hào)：TQ328.3

Abstract： When an adiabatic protective layer of rigid polyurethane foam is made on the surface of composite products with complex structures， large surface concave and convex fluctuations and many special-shaped parts， compared with the curing， cutting and bonding process of foam blocks moulded by casting and molding， the spraying and foaming process has the advantages of the short production cycle， low foam loss rate and low production cost and labor intensity， and the formed foam has good integrity， high consistency and no gap. The ratio of materials during the spraying and foaming of rigid polyurethane foam is put forward， and the effect of foaming agent dosage， ambient temperature and ambient humidity on foam properties is verified through process tests. The test results show that the prepared foam has excellent properties when the mass ratio of foaming agent is 35g， the ambient temperature is not more than 70%， and the ambient temperature is （15～35）℃.

Key Words： Polyurethane foam; Spraying; Ambient humidity; Ambient temperature

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料是在一定負(fù)荷狀態(tài)下不發(fā)生明顯形變，當(dāng)負(fù)荷過大發(fā)生形變后不能恢復(fù)到初始狀態(tài)的泡沫塑料，是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發(fā)泡劑、催化劑、穩(wěn)定劑、阻燃劑等多種主機(jī)作用下，經(jīng)過專用設(shè)備混合，經(jīng)高壓噴涂現(xiàn)場發(fā)泡而成的高分子聚合物，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能、聲學(xué)性能、電學(xué)性能、化學(xué)性能和熱導(dǎo)率較低，是優(yōu)質(zhì)的絕熱保溫材料，在航天領(lǐng)域常用于產(chǎn)品的絕熱防護(hù)層[1-3]。硬質(zhì)聚氨酯泡沫成型方法主要有：塊狀發(fā)泡、噴涂發(fā)泡、澆注模塑成型、整皮發(fā)泡、沫狀發(fā)泡和冷熟化。目前，最常用的成型方法是澆注模塑成型和噴涂。澆注模塑成型是把原料按比例混合并注入模具，反應(yīng)物料要充分混合，在物料達(dá)到乳白狀態(tài)前注入模具中，固化后打開模具，取出泡沫塊[4-6]。通常，泡沫塊最少要熟化一周才能進(jìn)行切割。在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、表面凹凸起伏較大、異型零部組件較多的大型復(fù)合材料產(chǎn)品表面制作硬質(zhì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫絕熱防護(hù)層，采用澆注模塑成型工藝，首先要將制備的塊狀泡沫制品加工成為需要的形狀，生產(chǎn)周期長，泡沫損失率高，生產(chǎn)成本也高；其次，加工的泡沫制品要進(jìn)行粘接，粘接工藝復(fù)雜，粘接后留下的空腔較多，修補(bǔ)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)影響泡沫絕熱層結(jié)構(gòu)的整體性，噴涂工藝可以有效克服上述缺點(diǎn)[7-8]。采用噴涂工藝在復(fù)合材料產(chǎn)品表面制作的硬質(zhì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫絕熱層要求密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小，同時(shí)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，在現(xiàn)場噴涂的過程中，泡沫材料的性能易受發(fā)泡劑用量、環(huán)境溫度和濕度的影響，本文針對(duì)影響因素開展工藝研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

聚醚多元醇ED750，工業(yè)級(jí)；聚醚多元醇4113G，工業(yè)級(jí)，上海佳化化學(xué)股份有限公司；33%三乙烯二胺溶液，工業(yè)級(jí)；二月桂酸二丁基錫，工業(yè)級(jí)，常州凱瑞化學(xué)科技有限公司；有機(jī)硅表面活性劑M8805，工業(yè)級(jí)，江蘇美思德化學(xué)股份有限公司；1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b），工業(yè)級(jí)，常熟三愛富氟化工有限公司；亞甲基多苯基異氰酸酯（PM200），工業(yè)級(jí)，萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司。

1.2 配比

經(jīng)過大量的工藝試驗(yàn)和泡沫性能測試，當(dāng)各原材料之間達(dá)到表1配比時(shí)，噴涂工藝及泡沫性能滿足復(fù)合材料絕熱層的要求。

1.3 試驗(yàn)過程

將聚醚多元醇ED750、聚醚多元醇4113G、33%三乙烯二胺溶液、二月桂酸二丁基錫、有機(jī)硅表面活性劑M8805和1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b）按照表1配比分別稱量后，放置于配料釜中，在室溫下攪拌1.5h，然后打開配料釜油浴加熱系統(tǒng)，溫度設(shè)定為（55±5）℃，加熱攪拌1～2h，當(dāng)物料溫度被加熱至50～60℃，關(guān)掉攪拌，配制成簡稱的白料，保溫待用；將發(fā)泡機(jī)的第一提料泵插入裝白料的料罐中，第二提料泵插入裝亞甲基多苯基異氰酸酯（PM200）（簡稱紅料）罐中，然后啟動(dòng)發(fā)泡機(jī)，使得白料和紅料在高壓下進(jìn)入發(fā)泡槍的混合室中按照1：1的體積比進(jìn)行充分混合，再在環(huán)境溫度為20～35℃、濕度不超過70%的條件下噴涂到產(chǎn)品表面，形成泡沫絕熱防護(hù)層。

1.4 性能測試

噴涂的硬質(zhì)聚氨酯泡沫密度按《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》（GB6343-2009）測定；壓縮強(qiáng)度和壓縮模量按《硬質(zhì)泡沫塑料 壓縮性能的測定》（GB8813-2020）測定；剪切強(qiáng)度和剪切模量按《硬質(zhì)泡沫塑料 剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法》（GB10007-2008）測定；導(dǎo)熱系數(shù)按《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 熱護(hù)平板法》（GB3399-1982）測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)泡劑用量對(duì)泡沫性能影響

發(fā)泡劑是聚氨酯泡沫塑料一種重要的助劑，分為化學(xué)發(fā)泡劑和物理發(fā)泡劑，在制備低密度、導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料時(shí)，非常依賴物理發(fā)泡劑，實(shí)驗(yàn)采用常用HCFC-141b作為發(fā)泡劑。發(fā)泡劑的用量對(duì)泡沫的密度、機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)影響較大，發(fā)泡劑用量與密度、導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系見圖1，發(fā)泡劑用量與壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度的關(guān)系見圖2。

由圖1和圖2可見，隨著發(fā)泡劑用量的增加，泡沫塑料的密度、導(dǎo)熱系數(shù)，壓縮強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢，這是由于隨著發(fā)泡劑用量的增加，泡沫中的孔隙不斷增加，泡沫內(nèi)部的疏松程度逐漸增加，見圖3。對(duì)于泡沫絕熱材料來說，低密度、導(dǎo)熱系數(shù)小是有利的，但絕熱材料仍需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)發(fā)泡劑用量為40g時(shí)，泡沫的密度和導(dǎo)熱系數(shù)最小，壓縮強(qiáng)度尚能滿足0.3MPa的要求，但剪切強(qiáng)度低于0.2MPa的要求。因此，按照所用泡沫材料的性能要求（密度0.05～0.07g/cm3，壓縮強(qiáng)度≥0.3MPa，剪切強(qiáng)度≥0.2MPa，導(dǎo)熱系數(shù)≤0.038W/m.K），當(dāng)發(fā)泡劑用量為35g，泡沫塑料的綜合性能最佳。

2.2 環(huán)境濕度對(duì)泡沫性能的影響

在噴涂發(fā)泡成型過程中，環(huán)境濕度會(huì)對(duì)噴涂的聚氨酯泡沫性能有一定的影響。在環(huán)境濕度為22%、70%、75%和80%條件下進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，泡沫性能的測試結(jié)果見表2。

由表2可見，環(huán)境濕度為22%和70%時(shí)，制得的泡沫的性能沒有顯著差異；當(dāng)環(huán)境濕度達(dá)到75%時(shí)，泡沫的密度、壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)等性能均出現(xiàn)明顯下降；當(dāng)環(huán)境濕度為80%時(shí)，噴涂制得的泡沫偏軟，無法完成制樣，此時(shí)噴涂的泡沫內(nèi)部狀態(tài)如圖4。

泡沫噴涂發(fā)泡時(shí)，環(huán)境濕度過高，空氣中會(huì)含有較多的水份。由于水本來就是聚氨酯泡沫的化學(xué)發(fā)泡劑，可與異氰酸酯反應(yīng)生成CO2，同時(shí)生成脆性的含脲基物質(zhì)。生成CO2會(huì)殘留在泡沫的泡孔中，造成泡沫密度降低，機(jī)械強(qiáng)度下降、導(dǎo)熱系數(shù)變小。但大量的生成CO2會(huì)引起泡沫性能的急劇下降。同時(shí)，由于CO2分子小，部分CO2生成后會(huì)從泡孔中溢出，其擴(kuò)散的速度快于空氣進(jìn)入泡孔的速度，造成噴涂的泡沫收縮較大，產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性較差；生成的脆性含脲基物質(zhì)會(huì)降低泡沫與復(fù)合材料的粘結(jié)性能。因此，在復(fù)合材料表面噴涂絕熱泡沫塑料時(shí)環(huán)境濕度應(yīng)不大于70%。

2.3 環(huán)境溫度對(duì)泡沫性能的影響

硬質(zhì)聚氨酯噴涂發(fā)泡時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)泡沫的性能影響較大。環(huán)境溫度過低，原材料化學(xué)反應(yīng)活性低，發(fā)泡時(shí)間長，噴涂過程會(huì)出現(xiàn)流掛現(xiàn)象；環(huán)境溫度過高，原材料化學(xué)反應(yīng)活性高，發(fā)泡時(shí)間短，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量無法快速散去，泡沫內(nèi)部易出現(xiàn)分層開裂現(xiàn)象。因此，在環(huán)境溫度為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃進(jìn)行工藝試驗(yàn)。泡沫性能的測試結(jié)果見表3。

由表3可見，當(dāng)環(huán)境溫度低于15℃時(shí)，制備的泡沫制品性能不滿足技術(shù)指標(biāo)要求，噴涂過程中，泡沫容易從工件表面脫落。隨著環(huán)境溫度的升高，當(dāng)環(huán)境溫度在15～35之間時(shí)，制備的泡沫制品密度滿足要求；當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時(shí)，制備的泡沫制品性能下降，泡沫的狀態(tài)見圖5。由此可得，要保證制備泡沫制品的質(zhì)量，環(huán)境溫度控制在15～35℃。

3? 結(jié)語

（1）通過工藝試驗(yàn)和泡沫性能測試，當(dāng)硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂發(fā)泡時(shí)各原材料的質(zhì)量比滿足表4要求時(shí)，噴涂工藝及泡沫性能滿足復(fù)合材料絕熱層的要求。

（2）當(dāng)發(fā)泡劑的用量為35g時(shí)，噴涂制備的硬質(zhì)聚氨酯泡沫密度低、導(dǎo)熱系數(shù)小，機(jī)械強(qiáng)度滿足復(fù)合材料絕熱層的要求。

（3）硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂發(fā)泡時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境濕度應(yīng)不高于70%。

（4）硬質(zhì)聚氨酯泡沫噴涂發(fā)泡時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場的環(huán)境溫度在15～35℃范圍內(nèi)較為適宜。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉磊，郭琰，段飛等.硬質(zhì)聚氨酯泡沫材料制備及成型工藝研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2023，42（2）：267-281.

[2] GAMA N V，F(xiàn)ERREIRA A，BARROS-TIMMONS A.polyurethane foams：past，present，and future[J].Materials，2008，11（10）：1841.

[3] 李克誠，楊磊，高東岳等.用于低溫貯箱的鋁合金-硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯共底設(shè)計(jì)與分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2021，38（3）：911-919.

[4] 羅琛，楊炳烽，吳昊等.GB/T 40363-2021《冷藏集裝箱和冷藏保溫車用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》介紹和解讀[J].聚氨酯工業(yè)，2022，37（4）：5-8.

[5] 徐祥，沈照羽，崔勝凱等.發(fā)泡劑對(duì)硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能的影響[J].熱固性樹脂，2021，36（2）：31-33.

[6] 石清.聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料噴涂保溫技術(shù)在消防車上的應(yīng)用[J].專用汽車，2021（3）：76-79.

[7] 余向偉.硬質(zhì)聚氨酯多孔材料的制備及性能[D].青島：青島科技大學(xué)，2020.

[8] 楊春柏.硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料研究進(jìn)展[J].中國塑料，2009，23（2）：45-57.