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聚氨酯泡沫塑料的原料和發(fā)泡助劑的簡介

華尉陸ú

華尉陸ú

室內(nèi)設(shè)計師

聚氨酯泡沫塑料（PU泡沫）的主要成分是聚氨酯，原料主要為多異氰酸酯和多元醇，通過加入適當(dāng)?shù)闹鷦┄D―其中最重要的助劑便是與發(fā)泡相關(guān)的一系列發(fā)泡助劑――使得反應(yīng)產(chǎn)物中生成大量泡沫，從而得到聚氨酯泡沫塑料產(chǎn)品。本文將簡單介紹一下生產(chǎn)PU泡沫的原料以及發(fā)泡助劑。

一、 多異氰酸酯

聚氨酯泡沫塑料工業(yè)生產(chǎn)中最常用的多異氰酸酯有甲苯二異氰酸酯（TDI）、多亞甲基多苯基異氰酸酯（PAPI）、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）以及液化MDI （L-MDI）等。

TDI在泡沫塑料行業(yè)主要用于生產(chǎn)聚氨酯軟泡。MDI的反應(yīng)活性比TDI大，揮發(fā)毒性較小，某些液化改性MDI可作為TDI的替代品應(yīng)用于聚氨酯軟泡的生產(chǎn)，如高密度聚氨酯軟泡和半硬泡或微孔聚氨酯彈性材料的制造。

PAPI又稱粗MDI、聚合MDI，典型的PAPI產(chǎn)品平均分子量 最在30~400范圍，其NCO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31%~32%。低黏度PAPI的平均官能度一般在2.5~2.9之間。

在泡沫塑料領(lǐng)域，PAPI以及改性PAPI主要用于生產(chǎn)各種聚氨酯硬泡，少量用于生產(chǎn)高回彈軟泡、整皮泡沫、半硬泡。PAPI可與TDI混用，制造冷熟化、高回彈泡沫塑料。

二、 聚醚和聚酯多元醇

1. 聚醚多元醇

用于生產(chǎn)聚氨酯軟泡的聚醚多元醇一般是長鏈、低官能度聚醚。軟泡配方中聚醚多元醇官能度一般為2~3， 平均分子量在2000~6500之間。在軟泡中用得最多的是聚醚三醇，一般以甘油 （丙三醇）為起始劑，由1，2-環(huán)氧丙烷開環(huán)聚合或與少量環(huán)氧乙烷共聚而得到，分子量一般在3000~7000。

其中高活性聚醚主要用于高回彈軟泡，也可用于半硬泡等泡沫制品。少量聚醚二醇可作為輔助原料，與聚醚三醇在軟泡配方中混合使用。低不飽和度、高分子量的聚醚多元醇可用于柔軟泡沫的生產(chǎn)，降低TDI的用量。

用于硬泡配方的一般是高官能度、高羥值聚醚多元醇，如此才能產(chǎn)生足夠的交聯(lián)度和剛性。硬泡聚醚多元醇的羥值一般為350~ 650mg KOH/g，平均官能度在3以上。一般的硬泡配方多以兩種聚醚混合使用，平均羥值在4000mg KOH/g 左右。

半硬泡配方一般會使用部分高分子量聚醚，特別是高活性聚醚多元醇和部分高官能度、低分子量的硬泡聚醚。

2. 聚酯多元醇

普通的低黏度脂肪族聚酯多元醇例如羥值為56mg KOH/g左右的聚己二酸二甘醇酯二醇，或略帶少量支鏈的聚酯多元醇，可以用于制造聚酯型聚氨酯軟泡。聚酯多元醇反應(yīng)活性高。目前聚酯型PU塊狀泡沫僅用于服裝輔材等少量領(lǐng)域。

以二元酸（如苯酐、對苯二甲酸等）和小分子二醇（二甘醇等）或多元醇為原料合成的芳香族多元醇，其中高羥值的可用于生產(chǎn)聚氨酯硬泡和聚異氰脲酸酯硬泡。較低羥值的苯酐聚酯醇還可用于高回彈軟質(zhì)泡沫塑料、整皮泡沫和半硬泡，以及非泡沫聚氨酯材料。

3. 聚合物多元醇

聚合物多元醇 （接枝聚醚多元醇）中含剛性的苯乙烯、丙烯腈均聚物及共聚物和接枝聚合物，這些乙烯基聚合物起類似有機“填料”的作用，提高承載性能。

聚合物多元醇可用于生產(chǎn)高硬度軟質(zhì)塊泡、高回彈泡沫、熱模塑軟泡、半硬泡、自結(jié)皮泡沫、反應(yīng)注射模塑（RIM）制品等，可減少制品厚度、降低泡沫密度而降低成本，還可增加泡沫塑料的開孔性，并賦予制品一定的阻燃性能。

聚脲多元醇（PHD分散體）也是一種特殊聚合物改性多元醇，可用于高回彈軟泡、半硬泡、軟泡，目前市場上產(chǎn)品很少。

還有一些特殊多元醇用于生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料，如植物油多元醇、松香聚酯多元醇、聚合物聚酯多元醇。

三、 發(fā)泡助劑

發(fā)泡助劑在聚氨酯泡沫塑料制造中必不可少，包括催化劑、泡沫穩(wěn)定劑（勻泡劑）、發(fā)泡劑等，還有一些助劑是可選的，在有需要的時候使用，如阻燃劑、擴鏈劑/交聯(lián)劑、抗氧劑、光穩(wěn)定劑、泡沫軟化劑、開孔劑、填料、色漿、抗靜電劑、水解穩(wěn)定劑、泡沫組合料貯存穩(wěn)定劑等。

1. 發(fā)泡劑

水是聚氨酯材料生產(chǎn)中重要的發(fā)泡劑，它屬于化學(xué)發(fā)泡劑，通過與異氰酸酯反應(yīng)生成的二氧化碳氣體，使黏彈性的泡沫物料膨脹、發(fā)泡、固化，得到各種聚氨酯泡沫塑料。

由于二氧化碳熱導(dǎo)率較高，并且滲透性較強，因此對于要求有高絕熱性能的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料配方，必須使用物理發(fā)泡劑。因為硬泡生產(chǎn)中的物料混合初期，在數(shù)十秒內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量，它需要發(fā)泡劑吸收部分熱量，同時發(fā)泡劑的氣化使泡沫膨脹發(fā)泡。

在聚氨酯軟泡生產(chǎn)中，為了獲得低密度的柔軟泡沫塑料，同時不能因水量過多而引起泡沫僵硬，一般需控制水的用量，添加適量的物理發(fā)泡劑作為輔助發(fā)泡劑。

CFC-11 （三氯一氟甲烷）在20世紀(jì)20年代末實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。由于CFC-11具有不燃、沸點適宜、易于氣化、氣相熱導(dǎo)率低、毒性低、與聚氨酯原料相容性好、無腐蝕性、價格低、發(fā)泡工藝簡單等特點，是聚氨酯泡沫塑料生產(chǎn)中非常理想的發(fā)泡劑。

自20世紀(jì)60年代至90年代初，CFC-11廣泛用作聚氨酯泡沫塑料的發(fā)泡劑。但在20世紀(jì)70年代科學(xué)家發(fā)現(xiàn)散發(fā)在大氣中的CFC-11可緩慢破壞臭氧層，引起了全球環(huán)保學(xué)家的重視。目前作為CFC-11的替代物的主要發(fā)泡劑類型有HCFC （氫氯氟烴）、HFC （氫氟烴）、HC（烷烴）、液態(tài)CO2及水等。

2. 泡沫穩(wěn)定劑

生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料時，泡沫穩(wěn)定劑（或稱勻泡劑）是一個不可缺少的組分。它能增加各組分的互溶性，起著乳化泡沫物料、穩(wěn)定泡沫和調(diào)節(jié)泡孔的作用。泡沫穩(wěn)定劑屬于表面活性劑，有非硅系化合物以及有機硅化合物兩類。

目前使用的泡沫穩(wěn)定劑大多是聚硅氧烷氧化烯烴嵌段共聚物，屬于聚醚改性有機硅表面活性劑，行業(yè)有時俗稱“硅油”。由于這類表面活性劑的結(jié)構(gòu)組成變化范圍廣，使用效果良好，目前聚氨酯泡沫塑料行業(yè)已廣泛采用聚醚改性有機硅表面活性劑作為泡沫穩(wěn)定劑。

3. 開孔劑

獲得開孔聚氨酯泡沫塑料的方法:

采用合適的催化劑，使得凝膠反應(yīng)和發(fā)泡反應(yīng)達到所需的平衡，在泡沫物料上升到最高點時泡孔的壁膜強度不足以把氣泡封閉在內(nèi)，氣體破壁而出，形成開孔的泡沫結(jié)構(gòu);

采用合適的聚醚多元醇原料，形成開孔泡沫;

當(dāng)催化劑和主原料不足以解決問題時，采用少量的開孔劑，使得水發(fā)泡形成的脲分散，以獲得一定開孔率的泡沫塑料。

開孔劑是一類特殊的表面活性劑，一般含疏水性和親水性鏈段或基團，它的作用是降低泡沫的表面張力，促使泡孔破裂，提高聚氨酯泡沫塑料的開孔率，改善因閉孔造成的軟質(zhì)、半硬質(zhì)、硬質(zhì)泡沫塑料制品收縮等問題。

通常的聚氨酯硬泡由于交聯(lián)密度高，發(fā)泡中泡孔壁膜強度大，一般是閉孔的泡孔結(jié)構(gòu)，但添加開孔劑，可制造開孔硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料，用于消音、過濾等用途。

早期疏水性的液體石蠟、聚丁二烯、二甲基聚硅氧烷等可用作泡沫穩(wěn)定劑和開孔劑，石蠟分散液、聚氧化乙烯也可用作開孔劑，目前多采用特殊化學(xué)組成的聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烴-聚硅氧烷共聚物等作為開孔劑。

4. 軟化劑

在高水量配方聚氨酯軟泡生產(chǎn)中采用軟化劑，可以抑制過多的脲基帶來的泡沫體僵硬問題。泡沫軟化改性劑具有軟化效果，采用軟化劑可以降低異氰酸酯用量進而降低泡沫硬度，用于軟質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的生產(chǎn)。商品軟化劑一般含有特殊聚醚、特殊多元醇和水等成分。

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將有機聚異氰酸酯如甲本二異氰酸酯(TDI)或二苯基甲烷二異氰酸酯(MDI)與聚醚多元醇以及發(fā)泡劑一起反應(yīng)制備聚氨酯軟泡沫塑料的方法已相當(dāng)成熟。聚醚通常是由氧化丙烯得出的聚氧化丙烯多元醇或是由氧化丙烯和氧化乙烯的各種組合得出的聚(氧化丙烯-氧化乙烯)多元醇。氧化乙烯封端的聚氧化丙烯多元醇類中，氧化烯基只占總氧化烯殘余物的極小部分，由于它們對異氰酸酯有較高的反應(yīng)性，從而特別重要。

氧化乙烯含量較高的多元醇，例如含50%(重量)或更多氧化己烯的多元醇通常作為微量添加物使用，以確保泡沫塑料具有開孔結(jié)構(gòu)。不能將非常高濃度的上述聚醚與通常的異氰酸酯共同使用，這是因為那樣便不產(chǎn)生開孔效應(yīng)，而導(dǎo)致閉孔泡沫塑料。

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，如果采用基本上純的4，4′-MDI或其衍生物作為聚異氰酸酯，便可從含高濃度具有高氧化乙烯含量的多元醇的配方成功地制得具有有價值性能的軟泡沫塑料。

因而，本發(fā)明提供一種制備軟聚氨酯泡沫塑料的方法，即，在發(fā)泡劑存在下，將聚異氰酸酯與多元醇組合物反應(yīng)。該聚異氰酸酯含至少85重量%，含至少90重量%較好，含至少95重量%更好的4，4′-二苯基甲烷或其變體。該多元醇組合物包含至少一種聚(氧化乙烯-氧化烯)多元醇，其平均標(biāo)稱羥基官能度為2-6，平均羥基當(dāng)量為1000-3000，平均氧化乙烯含量為50-85，最好為60-85重量%，任何還可加入的多元醇中氧化乙烯含量最好為500當(dāng)量或者至少占50重量%。

本發(fā)明方法所用的聚異氰酸酯組分可主要包含純4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯或二異氰酸酯與一種或多種其它有機聚異氰酸酯尤其是其它二苯基甲烷二異氰酸酯異構(gòu)體(例如2，4′-異構(gòu)體，還可含2，2′-異構(gòu)體)的混合物。該聚異氰酸酯組分也可以是由含有至少85重量%，4，4′-二苯基甲烷二異氰酸酯的聚異氰酸酯組合物衍生而來的MDI變體。MDI變體是本領(lǐng)域公知的，就本發(fā)明用途而言，尤其包括通過將uretonimine和/或碳化二亞胺基團引入上述聚異氰酸酯組合物和/或?qū)⒃摻M合物與一種或多種多元醇反應(yīng)得到的液體產(chǎn)物。