高回弹泡沫的耐疲劳性能研究

高回弹泡沫的耐疲劳性能研究

黄旭王海迎赵怡高庆春

（北京科聚化工新材料有限公司北京102200）

摘要：本文对聚氨酯高回弹泡沫的静态和动态疲劳性能进行了研究,对比了不同异氰酸酯体系对泡沫疲劳性能的影响,并对产生影响的原因做了初步探讨。

关键词：高回弹泡沫；静态疲劳；动态疲劳；异氰酸酯

1.前言

软质泡沫聚合材料已有了数十年的发展历史,用途广阔,最主要是用于家具和运输工具的座椅垫料。对于需要在应力作用下长时间地反复震动的汽车坐垫来讲，疲劳性能是检验其耐久性的一个重要指标，也是各个汽车OEM要求的一项重要物理性能指标[1]。其评价方法主要有厚度损失和硬度损失，不同厂家的疲劳方法和测试项目略有不同，但基本与ISO 3385和ASTM D3574的方法类似。

ISO 3385规定的疲劳测试为：恒定应力750±20N下，连续重击压缩80000次，平均每分钟70±5次，测试项目包括：硬度损失和厚度损失。ASTM D3574规定的疲劳测试还包括了静态疲劳的测试即在恒温恒湿下的压缩变形测试，从静态和动态两方面更为全面的表征泡沫的耐久性能。目前国内外大部分的汽车主机厂对座椅泡沫提出了耐久性能尤其是动态疲劳性能的要求，如下表所示[2]：

表1 部分汽车主机厂的泡沫疲劳性能要求

ISO 3385测试后福特公司通用公司本田公司丰田公司

厚度损失≤/% 5 4-6 5 5 40%压陷硬度损失≤/% 25 15-30 15-30 15-25 影响高回弹泡沫疲劳性能的因素很多，其中包括异氰酸酯组分[3]。本工作对比了不同异氰酸酯体系——改性MDI、MT和TM体系对泡沫疲劳性能的影响，从静态和动态疲劳两方面来表征泡沫耐久性能，并对泡沫疲劳的机理进行了初步探讨。

2.实验部分

2.1 实验原料

聚醚多元醇,羟值为35 mgKOH /g；聚合物多元醇,羟值为28 mgKOH /g,天津石化三厂；改性MDI WANNATE 8001, WANNATE 8223，WANNATE 7025与聚合MDI PM200，NCO质量分数分别为29.3%, 32.4%，36.0%，31.2%，烟台万华聚氨酯股份有限公司；TDI 80，NCO质量分数为48.3%，拜耳公司；另外采用了醇胺类交联剂、B8715 硅油和胺类催化剂等。

2.2 实验仪器与设备

手电钻, J1222L02210, 2400 r /min,永康中兴公司；模具, 20 cm ×20 cm ×10 cm, 40 cm ×40 cm ×10cm,不锈钢制；恒温恒湿箱MHF2225A型；烘箱DZF26050型；超级恒温水浴, 501型,上海浦东荣丰科学仪器有限公司；精确电子天平ARC120， ARB120，AV8101，奥赛斯(国际)上海分公司；泡沫往复冲击试验机，CX-8308A，创新科技检测仪器有限公司；动态机械分析(DMA)：仪器型号DMA Q800，恒定频率1Hz，振幅60 um，加热速度3 ℃/min。2.3 实验配方

实验的基础配方如下:

原料质量份

聚醚多元醇70～100

聚合物多元醇0～30

交联剂0～1. 5

硅油0～1. 0

水量3. 0～4. 5

复合催化剂0. 5～1. 2

改性MDI、MT、TM50（指数90）

三种体系保证在同水量同指数下进行平行发泡实验。

2.4 发泡工艺

手工发泡: 按照配方称量A 组分,搅拌均匀。控制A、B料温度均为25 ±2℃,模温经恒温水浴控制在60 ±3℃。将B料到入A料中,迅速搅拌6～9s,倒入模具中, 3 min后脱模。

2.5 性能测试方法

性能测试参照下表中测试标准和方法：

表2 汽车座椅泡沫测试标准

物性单位测试标准

密度kg/m3ISO 845

CLD40% KPa ISO 3386

干、湿压缩变形% ASTM 3574

疲劳后厚度损失% ISO 3385

疲劳后硬度损失% ISO 3385

拉伸强度kPa GB/T 6344-2008

断裂伸长率% GB/T 6344-2008

撕裂强度N/cm GB/T 10808-2006

3 结果与讨论

主要从静态和动态疲劳两方面探讨三个异氰酸酯体系泡沫的耐久性能。

3.1 三个体系的静态疲劳性能

表3列出了三个体系的静态疲劳即干湿压缩变形数据，结果可知，在同样发泡指数和泡沫硬度下，TM50体系和MT体系的干压缩变形要优于改性MDI体系的干压缩变形性能，但是在湿压缩变形上，改性MDI的优势较为明显。

压缩变形反应了泡沫受压缩后的恢复能力，取决于可以有效防止聚合物链段蠕变的有效交联密度，而有效交联密度与共价键（主要是硬段间的氢键）形成的网络强弱有关。MDI比TDI的NCO%含量低，导致在相同白料和指数下，MDI泡沫中硬段的含量较高。微观结构上，MDI具有更称的结构，生成的脲具有高结晶性，导致硬相的体积较大。然而由于MDI分子中的NCO基团含量低，MDI生成的硬段中，具有高内聚能的脲基甲酸酯等基团的密度较TDI低，这样硬相中形成的共价键形成的网络较为松散和脆弱，这就帮助解释了MDI泡沫干压缩变形差的原因。与之相反，TDI形成的硬段由于脲基团密度较高，而且TDI生成的脲不对称结构难以形成较大块的结晶，相分离更彻底，故干压缩变形要好一些[4]。

表3 不同异氰酸酯体系泡沫的静态疲劳数据

异氰酸酯体系TM50 W7025 W8223 W8001

芯密度，kg/m350.4 50.9 50.9 50.8

CLD40%，kPa 6.8 7.1 7.2 6.9

50%干压缩变形，% 3.60 4.97 6.99 5.62

50%湿压缩变形，% 16.45 14.27 13.85 12.52 但是有水汽的侵入影响,泡沫在高温高湿条件下,大量的水汽侵入泡沫,破坏了泡沫中脲相区的氢键,与高极性的脲发生可逆反应,削弱了脲相的完整性,在一定载荷下,弱化的脲相通过氢键重排为另外一种形式,在撤去负荷后,脲相区链段的恢复与没有水汽侵袭相比更加困难。湿老化对TDI泡沫尤为明显，最可信的原因是存在大量的可逆的硬段堆积。当湿气大量进入，堆积被塑化，当湿气降低，硬段重新堆积，而MDI较差的硬段堆积，被拉伸的聚合物链段不能松弛，降低了对环境的敏感度，故MDI的湿压缩变形要优于TDI体系[5]。

图1为不同体系泡沫的DMA图谱。由图可知TDI泡沫的峰高而窄，而改性MDI的峰低而宽，相对来讲TDI体系泡沫具有更好的微相分离结果。