催化剂对硬质聚氨酯泡沫性能的影响

催化剂对硬质聚氨酯泡沫性能的影响

支小斌

（华东理工大学化工学院，上海200237）

摘要:催化剂是合成硬质聚氨酯的一种重要助剂。在发泡过程中，催化剂影响发泡工艺过程，并最终影响泡沫的质量。本文考察了6种新型催化剂对硬质聚氨酯泡沫性能的影响，并与常用催化剂DMCHA进行了对比，发现一种具有改善泡沫导热性能的催化剂。

关键词:催化剂；硬质聚氨酯；导热系数；

1 前言

硬质聚氨酯泡沫是在发泡剂、催化剂和泡沫稳定剂等助剂存在的情况下，由聚醚多元醇或聚酯多元醇与有机聚异氰酸酯反应制得[1]。发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂等助剂影响聚氨酯泡沫的性能，而催化剂强烈地影响发泡工艺性能和泡沫性能，如乳化反应速度、凝胶反应速度、固化速度、泡沫流动性、热导热和尺寸稳定性等[2,3]。在发泡过程中，泡沫固化速度和泡沫流动性是发泡工艺性能的两个重要指标，泡沫固化速度的快慢和流动性的好坏直接影响着泡沫质量，固化速度快，脱模时间则短，反之则慢。而流动性良好与否，由腔体能否被泡沫充满、泡沫的密度、压缩强度、热导率和尺寸稳定性等决定。

本文考察了6种催化剂对硬质聚氨酯发泡工艺和泡沫性能的影响，并与常用催化剂DMCHA进行对比。

2 实验

2.1 主要原料

聚醚多元醇A，市售；聚醚多元醇B，市售；聚醚多元醇C，市售；阻燃剂，市售；泡沫稳定剂，市售；发泡剂，HFC-245fa；PMDI NCO=31%，市售；催化剂：C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7（DMCHA）；

2.2 发泡配方

表1 配方

组分质量分数

聚醚多元醇A 50-70

聚醚多元醇B 10-20

聚醚多元醇C 20-30

泡沫稳定剂2-3

阻燃剂8-12

发泡剂20

作者简介：支小斌，1987-，华东理工大学，化学工程专业2012届毕业生；2010年霍尼韦尔综合科技公司实习期间，在

催化剂适量

异氰酸酯Index 1.05

2.3 实验步骤

按配方分别称取聚醚多元醇A、B、C，阻燃剂，泡沫稳定剂，发泡剂及催化剂于塑料杯中，混合均匀，控温至20±1℃，随即加入配方要求的PMDI(20±1℃)，然后在5000r/min 下搅拌5s，，倒入模具进行发泡，并用foamat软件得到了不同催化剂的发泡速度曲线。

2.4 泡沫性能表征

导热仪测试泡沫的导热系数；泡沫拉伸强度试验机测试泡沫的压缩强度和弯曲强度；恒温恒湿箱测定泡沫的尺寸稳定性。

3 结果与讨论

3.1 催化反应特性

表2和表3分别是在等量催化剂和相同凝胶时间的发泡反应特性，

表2 等量催化剂的发泡反应特性

催化剂用量/g

发泡工艺参数

CT/s GT/s TFT/s

FRD/Kg·

m-3

C1 3.0 30 174 226 37.6 C2 3.0 7 62 74 37.5 C3 3.0 16 85 107 35.5 C4 3.0 13 62 87 35.8 C5 3.0 18 131 156 36.8

C6 C7 3.0

3.0

7

17

124

125

138

151

33.3

38.6

从表2可以看出，C2和C4催化体系的凝胶时间最短，均为62s，但C2体系具有比C4更短的乳化时间，因此C2的催化活性最高，而C4次之。从发泡的凝胶时间可以得出各催化剂的催化活性强弱顺序为：C2>C4>C3>C6>C7>C5>C1。

表3 相同凝胶时间的催化剂的发泡反应特性

催化剂用量/g

发泡工艺参数

CT/s GT/s TFT/s FRD/Kg·m-3

C1 5.2 13 100 125 36.60 C2 1.8 7 100 112 37.63 C3 2.2 15 100 115 38.04

C4 1.7 24 100 148 39.09 C5 4.0 10 100 121 37.52

C6 C7 3.4

3.6

6

10

100

100

116

130

32.95

39.73

从表3可以看出，达到相同凝胶时间，催化剂的用量不同，且乳化时间也有差异。通过比较催化剂用量，乳化时间和凝胶时间，可以得出和表2相似的结论。泡沫脱粘时间的长短在某一程度上也反映着泡沫固化速度的快慢。脱粘时间短，固化速度快，反之则慢。从表3我们可以知道各催化体系泡沫脱粘速度的快慢顺序为：C2>C3>C6>C5>C1>C7>C4。而且不同催化体系的自由泡密度也不相同，图1是相同凝胶时间下不同催化体系的自由泡密度，

图1 不同催化体系的自由泡密度

从图1可以看出，各催化体系自由泡密度大小顺序为：C7>C4>C3>C2>C5>C1>C6。

3.2 发泡曲线

图2和图3分别是各催化体系的发泡速度曲线和泡沫高度曲线，

图2 发泡速度曲线

图3 泡沫高度曲线

从图2和图3可以看出，7种催化体系的发泡速度曲线和泡沫高度曲线各有差别。C6和C2催化体系泡沫初期上升速度最快，且初期泡沫高度C6大于C2，且初期C6发泡速度最快。在发泡开始后10s左右，C6体系就达到最大发泡速度4.10mm/s，相比其他催化体系，达到最大发泡速度的时间最短。当达到20s左右时，C2体系达到最大发泡速度4.2mm/s，泡沫高度很快超过C6体系。在此段时间里，其它催化体系发泡速度很小，有的甚至刚刚开始乳化反应，所以泡沫上升高度很小。但到30s时，C5和C7发泡速度迅速变快，此时泡沫快速升高。此后，发泡速度开始变慢，泡沫高度上升缓慢，而C3和C1发泡速度开始陡增至最大，相应泡沫开始快速升高。此时C4发泡速度也开始加快，60s时达最大，相应泡沫高度迅速上升。分析完发泡曲线可以知道，7种催化剂的发泡特性各不相同，其中C6，C2初期发泡速度快，属催化发泡反应催化剂，而C4初期发泡速度慢，但后期强劲，属催化凝胶反应催化剂。其余则属发泡反应-凝胶反应平衡催化剂。

3.3 催化剂对泡沫流动性的影响

图4和图5分别是各催化体系的反应流动性能图和泡沫密度分布图，

图4 泡沫增高指数

从图4 知道C6催化体系泡沫增高指数最大，泡沫流动性最好，C1增高指数最小，流动性最差。增高指数大小顺序为：C6>C3>C5>C2>C7>C4>C1。用泡沫增高指数来分析泡沫流动性泡沫增高指数是指在单位质量泡沫上升的高度，其值越大，说明泡沫流动性越好[1]。