(完整版)聚氨酯泡沫材料及成型方法总结

聚氨酯泡沫材料

一、概况

聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子主链上含有许多重复的-NHCOO-基团的高分子化合物统称为聚氨基甲酸酯。一般聚氨酯系由二元或多元有机异氰酸酯(通常为甲苯二异氰酸酯，简称TDI)与多元醇化合物（聚醚多元醇或聚酯多元醇）相互作用而得。由于聚氨酯的结构不同，性能也不一样。利用这种性质，聚氨酯类聚合物可以分别制成塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂等。近二十年来，聚氨酯在这几个方面的应用都发展很快，特别是聚氨酯泡沫塑料、聚氨酯橡胶、聚氨酯涂料发展更加迅速。

泡沫塑料是聚氨酯合成材料的主要品种之一，它的主要特征是具有多孔性，因而相对密度较小，质轻，隔热隔音，比强度高，减振等优异特性。根据所用原料不同和配方的变化，可制成软质、半硬质和硬质聚氨酯泡沫塑料几种。

图1 聚氨酯泡沫合成主要原料

聚氨酯原料

异氰酸酯

脂肪族

脂环族芳香族多元醇

聚酯多元醇

聚醚多元醇其它多元醇扩链剂

胺类扩链剂

醇类扩链剂催化剂

叔胺类催化剂

金属有机催化其它助剂

阻燃剂抗氧剂

紫外线吸收剂着色剂增塑剂

1.1聚氨酯泡沫形成的化学机理

多元醇与多异氰酸酯生成聚氨酯的反应，是所有聚氨酯泡沫塑料制备中都存在的反应。发泡过程中的“凝胶反应”一般即指氨基甲酸酯的形成反应。因为泡沫原料采用多官能度原料，得到的是交联网络，这使得发泡体系能够迅速凝胶。基团反应如下：

—NCO+—OH→—NHCOO—

在有水存在的发泡体系中，例如聚氨酯软泡发泡体系、水发泡聚氨酯硬泡体系，多异氰酸酯与水的反应不仅生成脲的交联（凝胶反应），而且是重要的产气发泡反应。所谓“发泡反应”，一般是指有水参加的反应。

—NCO+H2O+OCN—→—NHCONH—+CO2↑

上述几个反应产生大量的热，这些热量可促使反应体系温度迅速增加，是发泡反应在短时间内完成。并且，反应热为物理发泡剂（辅助发泡剂）的气化发泡提供了能量

二、软质聚氨酯泡沫塑料

软质聚氨酯泡沫塑料（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。聚氨酯软泡的泡孔结构多为开孔的。一般具有密度低、抗氧化老化、耐油耐溶剂、弹性回复好、吸音、透气、保温性能，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

2.1发泡原理及工艺

2.1.1预聚体法发泡工艺原理

预聚体法发泡工艺通常应用于聚醚型泡沫塑料。而聚酯型泡沫塑料因聚酯本身粘度较大，生成预聚体后粘度更大，在发泡时不易操作，一般都不用此法。

预聚体法发泡工艺既是将聚醚多元醇和而异氰酸酯先制成预聚体，然后在预聚体中加入水、催化剂、表面活性剂和其他添加剂，载高速搅拌下混合进行发泡。固化后在一定温度下熟化即软质泡沫塑料。其流程示意图如下

图2 预聚体发泡流程示意图

2.1.2预聚体工业制法及其发泡工艺

实例：在带有搅拌的干燥反应釜中加入聚酯，然后在室温下，在搅拌的同时加入异氰酸酯，由于异氰酸酯和聚酯的反应放热，因此必须根据釜的批量大小来控制异氰酸酯的加入速度，是反应温度不超过90℃，加完后继续在90℃温度下，保持反应1h左右，冷却后装入干燥容器中即为成品。在生产过程中最好能始终通入氮气，以排除系统中的水分。

发泡工艺：实验室小量发泡一般采用手工发泡，即将预聚体、水、催化剂、表面活性剂及添加剂等一次加入，在高速搅拌2~3s后倾入模具内进行发泡。

半预聚体发泡工艺。

图3 半预聚体发泡工艺流程图

半预聚体法发泡工艺目前在一般软质泡沫塑料中采用较少，大部分用于制造

半硬质制品。目的是为了较好的调节物料粘度和泡沫凝胶强度。

2.1.3 一步发泡工艺

一步发泡工艺是目前普遍采用的制造工艺，主要是将聚醚（或聚酯）多元醇、二异氰酸酯、水、催化剂、泡沫稳定剂及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。由于使用了有机锡等催化剂，反应速度较快，放热时温度较高，不需要在发泡后在进行加热熟化，并采用了有机硅泡沫稳定剂，因而在聚醚等物料粘度较低的情况下也能得到泡孔较为均匀的泡沫制品。加上不需要预聚体的反应装置，因而具有工艺简单、设备投资少、易于操作管理等优点。由于物料粘度较小，对制造低密度和模塑成型制品尤为有利，因而目前绝大部分生产已采用一步法发泡工艺。其流程图如下

图4 一步发泡工艺示意图

2.1.4 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，这是一种间歇式生产工艺，这种发泡方法适用于实验室手工发泡。

反应物料混匀后立即倒入一只木制或铁皮制成的箱子一样的敞口模具中发泡成型，故得名“箱式发泡”。箱式发泡的主要设备包括：①电控机械搅拌器，混合料筒；②模具（箱）；③称量工具，如天平、台秤、量杯、玻璃注射器等计量工具；④用于控制搅拌时间的秒表。生产时，需在箱内壁涂用少量脱模剂，使泡沫容易脱出。

2.2软质聚氨酯泡沫塑料的其他品种

2.2.1高回弹软质泡沫塑料

高回弹软质泡沫塑料，又称“HR”泡沫（high resiliency foam）。由于这类泡沫制品可以冷熟化，加工工艺简单，物性优良，因而引起各工业部门的重视，应用也日益广泛，它和常规热熟化泡沫塑料相比有诸多优点。

（1）优良的机械性能高回弹泡沫制品和一般制品相比，具有较高的弹性；

低的滞后损失；较高的压缩复合比值；类似乳胶表面的手感和良好的

透气性。

（2）消耗能量低高回弹泡沫由于可以冷熟化，因而在生产中耗能低。

（3）具有较好的耐燃性高回弹泡沫塑料由于其特有的内在分子结构，因而比一般泡沫塑料有较低的可燃性，不含或含少量阻燃剂的制品即可

达到自息级标准。

2.2.2阻燃性软质泡沫

普通聚氨酯泡沫塑料都为可燃性聚合物。特别是软质泡沫塑料，开孔率较高，密度较小，对空气接触面积大，因而较其他非泡沫聚氨酯更易燃烧，这给工业及生活使用带来了一定的局限性。

一般将阻燃性软质泡沫分为两种：一种是添加型，即在泡沫制品中加入阻燃性物质，如各种含磷，氯、溴、硼等化合物，特别是几种阻燃物质的混合物，更可产生协同效应，从而提高制品的阻燃性能；另一种是结构型，它在聚醚（或聚酯）多元醇或多异氰酸酯中引入磷、氯、溴、硼、氮等元素来达到阻燃目的。2.2.3半硬质泡沫

半硬质泡沫塑料是聚氨酯塑料的一大品种。该制品的特点是具有较高的压陷硬度和较高的密度。它的交联密度远高于软质泡沫塑料而仅次于硬质制品

2.2.4超柔软泡沫塑料

超柔软聚氨酯泡沫塑料的特点是密度小压缩强度低，一般都用于床垫、低负荷垫子和枕头芯等方面

2.2.5高密度泡沫橡胶

高密度泡沫橡胶，又称微孔软质聚氨酯泡沫塑料，其通常密度为240-960kg/m3，根据需要可制成开孔或闭孔型等各种产品。它与其他微孔橡胶相比，其特点是具有优异的物理性能，如较高的拉伸强度、撕裂强度和耐磨性能，

它的避震性能也较好，承载负荷性能也优于一般通用橡胶。

2.2.6亲水性软质泡沫塑料

亲水性聚氨酯软质泡沫塑料大部分应用于制造海绵、地毯或织物衬里、耐火绝缘层等，最近在农艺、花卉种植方面用于人工土壤，它对水有较大的亲和力和较大的吸水率。

三、硬质聚氨酯泡沫

硬质聚氨酯泡米塑料是指在一定负荷作用下不发生明显形变。当负荷过大发生形变后不能恢复到初始状态的泡沫塑料。它是一种性能优良的绝热材料和结构材料。其主要特点是：质量轻、比强度高、热导率小、性能好，应用范围广、绝缘效果好、重量轻、比强度大耐化学腐蚀和隔音效果好。在聚氨酯各类产品中，产量仅次于软质泡沫塑料。

3.1 主要合成原料

硬质聚氨酯泡沫塑料的主要原料中异氰酸酯常用多苯基多次甲基多异氰酸酯（MDI）。

3.2 发泡方法

生产硬质聚氨酯泡沫塑料有三种方法：预聚法、半预聚法和一步法。

（1）预聚法是把全部的聚醚多元醇（或聚酯多元醇）和异氰酸酯反应，生成预聚体；在催化剂的作用下，预聚体与水反应生成泡沫塑料。泡沫塑料的密度取决于游离异氰酸酯基（NCO）的含量和水的用量。

（2）半预聚体法制备预聚体，首先把过量的多异氰酸酯和配方中的部分多元醇反应，所得预聚体的游离NCO含量范围在20%-35%之间。发泡时，把预聚体和剩余的聚醚多元醇（或聚酯多元醇）、发泡剂、稳定剂、催化剂等混合，反应而得到泡沫塑料。

（3）一步法发泡是指聚醚或聚酯多元醇、异氰酸酯、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂等原料经过计量全部混合在一起，发生化学反应后生成硬质泡沫塑料的方法。大部分的一步法是在室温下进行的，所以，用于一步法反应的各种原料在室温下最好是液体，并要求各原料相互间的混溶性好。

3.3成型工艺

3.3.1 手工发泡

硬质聚氨酯泡沫塑料最简便的成型方法是手工发泡（浇注发泡）。把各种原料精确称量后，置于一容器中，然后立即把这些原料混合均匀，注入到模具或需要填充泡沫塑料的空腔中去，立即发行化学反应并发泡后得到泡沫塑料。手工发泡的原材料利用率低，一般约有5%-10%的原料粘附在容器壁上。手工发泡只适用于现场临时施工或生产少量不定型的制品或制作泡沫塑料试样。

3.3.2 喷涂发泡

喷涂发泡成型是指把硬质聚氨酯泡沫的原料直接喷射到无间的表面，并在表面上发泡的成型方法，喷涂发泡主要应用于硬质泡沫塑料。

3.3.3反应注射模塑（RIM）

就是把多种反应性较高的液体原料，通过混合头，注射到密闭饿模具中成型的方法。RIM过程对原料要求是反应活性大，黏度小

3.4 硬质聚氨酯泡沫的应用

（1）食品等行业冷冻冷藏设备:如冰箱、冰柜、冷库、冷藏车等，聚氨酯硬泡是冷冻冷藏设备的最理想的绝热材料。

（2）工业设备保温:如储罐、管道等。

（3）建筑材料:在欧美发达国家，建筑用聚氨酯硬泡占硬泡总消耗量的一半左右，是冰箱、冰柜等硬泡用量的一倍以上;在中国，硬泡在建筑业的应用还不像西方发达国家那样普遍，所以发展的潜力非常大。

（4）交通运输业:如汽车顶篷、内饰件等。

（5）仿木材:高密度(密度300~700kg/m)聚氨酯硬泡或玻璃纤维增强硬泡是结构泡沫塑料，又称仿木材，具有强度高、韧性好、结皮致密坚韧、成型工艺简单、生产效率高等特点，强度可比天然木材高，密度可比天然木材低，可替代木材用作各类高档制品。

（6）硬质泡沫塑料的压缩强度较高，一般硬质聚氨酯结构泡沫的密度在0.1g/m3左右，压缩强度可达到5Mpa，国外有将硬质聚氨酯泡沫密度提高到0.8g/m3，压缩强度可达31Mpa。能承受一定的静水压，可以作为浮力材料。