聚氨酯化学与工艺8泡沫

4.2
0.25 0.2 1.0 40 105
密度/(kg/m3)
65%压缩强度/N 拉伸强度/kPa 撕裂强度/(N/m) 50%压缩变定/%
17
130 115 400 10
一种高承载聚氨酯块状软泡的配方为： 普通软泡聚醚 75 叔胺催化剂 辛酸亚锡 TDI指数 0.2 0.2 110
接枝聚醚多元醇 25 水 匀泡剂 3.6 0.8
切刀切割成泡沫块，然后用水平输送机把泡沫块输送
到熟化区熟化和后加工。
1、混合后料液加入管 2、PE薄膜桶 3、加热块 4、带针输送带 5、切割机
垂直发泡设备示意图
垂直发泡设备
垂直发泡工艺的优点如下：
①可以用较小的流量（如40～70kg/min)得到大
截面积（如1m×2m)的泡沫块料，而通常用水
为3000～4000，以聚醚三醇为主。高回弹泡沫则多
采用分子量在4500～6000的聚醚三醇。
分子量增加时，泡沫的拉伸强度、伸长率和回
弹性提高；同类聚醚的反应活性下降。聚醚的官能
度增加，则反应相对加快，生成聚氨酯的交联度提 高，泡沫硬度随之提高，伸长率下降。
2、异氰酸酯
聚氨酯软块泡的异氰酸酯原料以甲苯二异氰酸 酯（TDI－80)为主。而活性相对较低的TDI－65仅用 于聚酯型聚氨酯泡沫或特殊的聚醚型泡沫。
2、空气湿度的影响
泡沫物料在发泡、熟化时与空气接触，大气湿
度对泡沫物理性能有影响，见下表：
绝对湿度/% 泡沫密度 /(kg/m3) 压陷硬度/N 0.32 21.6 176 1.04 21.6 159 2.07 21.6 150 绝对湿度/% 拉伸强度/kPa 伸长率/% 0.32 100 160 1.04 123 235 2.07 139 298
聚氨酯化学与工艺
Chap.4 聚氨酯泡沫塑料
• 4.5 软质聚氨酯泡沫塑料 • 4.6 硬质聚氨酯泡沫塑料 • 4.7 聚氨酯半硬泡
教学目的及要求 通过本章的学习，了解聚氨酯泡沫材料的 分类，熟悉掌握形成泡沫的化学反应、成 泡原理、稳定原理，了解泡沫材料的加工 工艺方法，了解块状泡沫、模塑泡沫的制 备方法，掌握制备泡沫材料所用原料种类， 熟悉软泡、硬泡、高回弹等泡沫的配方计 算方法，了解泡沫材料的用途。
4.5.3.3
冷模塑高回弹软泡
冷熟化模塑泡沫又称高回弹(HR)模塑泡沫。
冷熟化高回弹软泡与热熟化软泡相比，具有以
下的特点： ①生产过程中不需外部提供热量，可节省大量热 能；
②sag系数(压陷比)高，舒适性能好；
③回弹率高；
④不加阻燃剂的泡沫也有一定的阻燃性能； ⑤生产周期短，可节省模具，节约成本。
4.5.2.6
材料名称 聚醚三醇（羟值56） 水 叔胺催化剂 有机锡催化剂
配方及性能举例
块状软泡的配方及性能示例见下表：
配方（质量份） 100 3.6 0.2 0.4 项目 密度/(kg/m3) 25%压缩强度/N 65%压缩强度/N 拉伸强度/kPa 物理性能 22.4 133 254 96
泡沫稳定剂
以增加泡沫的压陷硬度和承载能力。
催化剂及稳定剂：高效叔胺催化剂和低活性有机硅
泡沫稳定别为助剂。
温度：较低温度下(30～65℃)模塑发泡并熟化。
举例：配方中聚合物多元醇用量和普通高活性醚的总 量为100份，配方中水为3.0份，双（二甲胺基乙基） 醚0.15份，三亚乙基二胺0.40份，二月桂酸二丁基锡 0.025份，有机硅泡沫稳定剂1.0份，醇胺类交联剂6 份，TDI与粗MDI混合物异氰酸酯指数105。
原料成本 产品成本
低 低
较高 较高
综合物性
较好
优
4.5.3.2
热模塑软泡
1.原料配方体系
热熟化模塑软泡又称热模塑泡沫。其所用的主 原料与普通聚醚块泡原料差别不大。
一般使用水和异氰酸酯反应放出的二氧化碳作为 发泡剂，100份聚醚多元醇的水用量多为2.5～4份。 泡沫的密度主要通过改变水量进行调节，为了降密度 及硬度也可加入适量的物理发泡剂。 热模塑泡沫所用发泡催化剂有：亚乙基二胺或双 (二甲基胺基乙基)醚，凝胶催化剂有辛酸亚锡或二月 桂酸二丁基锡。
由表中数据可见，随着湿度的增加，由于泡沫中 的异氰酸酯基团部分与空气中的水分反应，泡沫的硬 度有所下降，伸长率增加；由于脲基的增加，泡沫的 拉伸强度有所增加。
3、大气压的影响 对同样的配方，当在海拔较高的地方发 泡时，密度明显降低。 使用相等的发泡剂，在海平面比在海拔
若干高度地区制得的块状泡沫密度高得多。
5.发泡剂
一般在制造密度大于21千克每立方米的聚
氨酯软块泡时，只使用水作发泡剂；在低密度
配方中才使用二氯甲烷（MC）等低沸点化合物
作辅助发泡剂。 可采用“发泡指数”的概念，即把相当于在
100份聚醚中使用的水的份数定义为发泡指数 (IF)。
为了方便地表述配方中发泡剂的发泡能力，
发泡指数可以用以下经验式来表述(m表示发泡 剂用量)：
定困难。但垂直发泡机的经济性(投资省、成
品率高)及生产灵活性，使得到迅速发展。
4.5.2.4 软泡的后加工
切 断
旋转切割
仿形切割
仿 形 切 割
仿形切割
仿形切割
旋转辊异形切割
切
片 2
旋切片材
连续薄片旋切
4.5.2.5
配方原料体系对块泡性能的影响
1、多元醇
用于普通块状泡沫的聚醚多元醇，分子量一般
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3、催化剂
块状软泡发泡用的催化利大致分为二类：
一类是有机金属化合物，以辛酸亚锡最为常用； 另一类是叔胺、以双(二甲氨基乙基)醚(美国 康普顿公司OSI部产品牌号为A-1，美国联碳公 司牌号Niax A-1，我国一些厂家也采用“A-1” 称谓这种催化剂)和三亚乙基二胺（TEDA，或 称“A-33”）常用。
与热模塑泡沫和高回弹块泡相比，冷模
塑泡沫的原料可选择范围较宽，助剂品种多。 通过选用不同的原料体系，可得到各种性能
的泡沫塑料。
1.原料配方体系
多元醇：高活性的高分子量聚醚三醇，其相对分子质
量一般为4500～6500(羟值26～35mgKOH/g),伯羟基 含量大于60%。不同的聚醚伯羟基摩尔分数一般为 60%～90%。一般掺入30%～50%聚合物多元醇，用
140
61
110
64
120
62
100
60
含聚合物多元醇及TDI－粗MDI发泡的高回弹泡
沫目前已在汽车工业中广泛地用来制造汽车的座椅和
靠背、摩托车有自行车座垫等。
随配方中水用量的，密度增加。由于水形成脲， 使得泡沫的25%压陷硬度增加，舒适指数下降。故水 的用量应控制，一般以3份左右为宜。 冷模塑软泡的原料体系常预混成双组分组合料， 其中白料（A组分）是多元醇、水，催化剂和泡沫稳 定剂等助剂的混合物，黑料（B组分）为异氰酸酯组
低而弹性较高的泡沫。
2.生产工艺
生产过程中，应把模具温度调整至30～40℃，在
120℃以上的烘道内熟化。泡沫表面在100～120℃时， 可满足泡沫熟化的要求，而热量浪费又较少。模具在 烘道中经过的时间约有10～15min，加上脱模、清理 模具、模具冷却需约10～15min，整个生产周期约为 20～30min。 低密度的模塑泡沫一般采用热模塑法生产。
4.5.3
4.5.3.1 概述
模塑软泡
模塑软泡(moulding flexible PU foam)的生产方 法是将聚氨酯原料混合后直接注入模具发泡成型， 因而泡沫制品的形状完全由模具决定。 聚氨酯软泡的模塑发泡工艺主要用于制造车船 和家具的座垫、靠垫、头枕等。一般的模塑软泡垫 材有较好的耐老化性能，在长期使用中，制品厚度 及承载能力的损失很小。因此，模塑泡沫生产发展 很快。 可以使用高压或低压发泡机进行软泡生产。因 为模具必须逐个充填，生产形式为间歇式。
TDI TDI指数
1.0
46 105
伸长率/%
撕裂强度/(N/m) 回弹性/% 50%压缩变定/%
220
385 38 6
一种低密度块状软泡举例
材料名称 聚醚三醇（JH3010T） 配方（质量份） 项目 100 乳白时间/s 物理性能 13
水
叔胺催化剂A33 辛酸亚锡 泡沫稳定剂L-580 CFC-11 TDI指数
根据所用原料的反应特性，模塑聚氨酯 软泡的生产分为热熟化和冷熟化工艺两种。 热熟化模塑泡沫的原料反应活性较低， 反应混合物在模具中发泡结束后，需要连同
模具一起加热，泡沫制品在烘道中熟化完全
后才能脱模。
冷熟化模塑所用原料的反应活性较高，
熟化时无需外部供热，依靠体系产生的热量，
短时间即可基本上完成熟化反应，原料注模 后几分钟内即可脱模。由于原料体系及发泡 反应过程的特点，大多数冷熟化模塑软泡具 有较高的回弹性，而且压陷比大，一般称为 冷熟化高回弹泡沫塑料。
与块状软泡相比，当发泡剂用量相同时，模塑
软泡的密度较高，承载负荷(硬度)要高出30％～50
％，拉伸强度和断裂伸长率要低些，而压缩变定值
却要高一些。 用作座垫的泡沫需要有较高的硬度和密度，可 在配方中全部或部分采用聚合物多元醇和提高异氰 酸酯指数；用作靠背的软泡要求较为柔软．常规方 法是添加辅助发泡剂，使用辅助发泡剂可提高泡沫 物料的流动性和泡沫开孔率，得到密度和硬度均较
影响泡沫密度的主要因素是：模具形状、制
品尺寸、模温、物料填充量及出气孔的大小。配 方中水的用量影响着泡沫的密度和硬度。
热熟化和冷熟化泡沫体系的对比见下表：
指标 设备和模具投资 生产周期/min 生产能耗 热模塑泡沫 高 20～30 高 冷模塑泡沫 低 5～10 低 指标 泡沫物料流动性 舒适性 耐久性 热模塑泡沫 好 较好 较好 冷模塑泡沫 稍差 更好 优
为了使泡沫中生成脲基甲酸酯和缩二脲而提高泡 沫交联度，一般异氰酸酯指数可控制在105～115， 在此范围内可以方便而安全地控制泡沫体的硬度。 TDI指数在一定范围内增大，则泡沫硬度增大。但达 到某一点后硬度不再显著增大，而撕裂强度、拉伸 强度和伸长率下降，闭孔率上升，回弹率下降，表 面长时间发粘，还会引起泡沫烧芯。若TDI指数过低， 泡沫易产生裂纹，强度低，回弹差，压缩永久变形 大、表面有潮湿感。
4、泡沫稳定剂
泡沫稳定剂是泡沫配方中不可缺少的组 分，在聚酯型聚氨酯块状泡沫中以非硅系表面 活性剂为主，聚醚型块状发泡中主要采用有机 硅—氧化烯烃共聚合物。一般对于低密度软泡 采用高活性泡沫稳定剂如L-580、L-582等；对 于密度为30～40kg／立方米的高密度软泡，采 用较低活性的泡沫稳定剂，如L- 520、L-6202 等。
聚合物多元醇用量对模塑泡沫性能的影响
聚合物多元醇用量 芯密度/(kg/m3) 25%压陷硬度/N 65%压陷硬度/N 20 46.8 112 368 40 46 158 438 50 53.2 200 592 60 48.9 260 751 80 49.2 262 866
伸长率/%
回弹率/%
140
63
3.垂直发泡工艺及设备
垂直发泡(又称竖式发泡)工艺即在垂直输送带
上完成发泡的工艺。其基本工艺过程是：将经混合头 充分混合的发泡物料送入发泡装置底部，物料向上发 泡，进入衬有聚乙烯薄膜的定型槽，在泡沫四周，用
垂直方向的传送带以与泡沫上涨相同的速度把连续的
泡沫体向上输送。泡沫基本固化后，被发泡机顶部的
平发泡机要得到同样截面的块料，流量水平要
比垂直发泡大3～5倍；
②由于泡沫块横截面大，不存在上下表皮，边皮
也较薄，因而大大减少了切割损失；
③设备占地面积小，厂房高度约12～13m，厂房
和设备投资费用较水平发泡工艺的低；
④可以方便地通过更换料斗及模型，可生产圆 柱形或矩形泡沫体，特别是可生产供旋切的圆 块泡坯料。 垂直发泡机生产的泡沫块料的长度不能 太长，密度过大或过小的泡沫在生产上也有一
IF＝m(水）+ m（CFC－11）/10+ m(MC)/7.5(每100份聚醚）
一般来说，发泡指数越大，泡沫塑料的密度就 越低。这一经验关系依赖于温度和大气压力等条件，
还与配方中的其它因素，如加入阻燃剂、填充剂等
有关。
4.5.2.6 环境因素对块泡物性的影响
1.温度的影响
聚氨酯的发泡反应随着物料温度上升而加快， 在敏感的配方中将会引起烧芯和着火的危险。 在生产聚氨酯软泡时，发泡时的气温环境对反 应性及泡沫塑料的物理性能也有一定的影响。例如， 同样的配方，在夏季由于气温高，反应加快引起泡 沫密度下降、硬度降低、伸长率增加、机械强度增 加。 软泡最好在装备空调的车间中生产。为了得到 所需性能的泡沫，可调节发泡配方以适合不同的气 温环境。