聚氨酯泡沫用有機硅勻泡劑的合成及應用探討

滿 偉

（江蘇省南京市南京美思德新材料有限公司，江蘇南京 210047）

作為一種非常重要的合成材料，聚氨酯泡沫塑料本身具有多孔性，而且密度相對較小，強度也比較高，原料和配方在變化之后能夠制作出普通軟泡、硬質(zhì)泡沫以及高回彈泡沫等產(chǎn)品。聚氨酯泡沫塑料在出現(xiàn)以后就迎來了快速的發(fā)展，世界范圍內(nèi)目前聚氨酯泡沫塑料每年的產(chǎn)量已經(jīng)達到了2 800多萬t。國內(nèi)的年產(chǎn)量也能達到1 200多萬t[1]。在當今聚氨酯泡沫的生產(chǎn)過程中，有機硅勻泡劑已經(jīng)成為了一個非常重要的助劑。

1 勻泡劑合成探討

含氫量較低的聚硅氧烷和端烯丙基聚醚進行共同反應是合成勻泡劑的主要路線[2，在反應過程中需要加入鉑來作為反應催化劑?？s聚反應和聚合反應是合成低含氫量聚硅氧烷的基本工藝路線。而合成過程中最為關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)就是要對分子鏈長度以及活潑氫的含量進行有效控制。低含氫聚硅氧烷利用聚合反應制備的過程中主要利用的是硫酸，而催化劑可以選擇甲苯磺酸或者酸性黏土。

從合成路線的角度來看，勻泡劑用聚醚通常是通過結(jié)構(gòu)來決定的，如果合成的聚醚結(jié)構(gòu)主要是用于軟泡勻泡劑，其結(jié)構(gòu)的一端主要是α不飽和碳碳雙鍵，另一端是以碳原子為主的烷基，針對這種結(jié)構(gòu)方式可以利用甲醇、乙醇等來作為制備的起始劑，當聚醚合成之后，可以利用氯丙烯等化合物進行封端。

2 軟泡勻泡劑

2.1 合成分析

低含氫聚硅氧烷以及端烯丙基聚醚是合成軟泡勻泡劑的兩種常用原料。這種勻泡劑的聚醚結(jié)構(gòu)中兩段分別為α不飽和碳碳雙鍵和碳原子為主的烷基。通過溶劑以及催化劑的作用使得低含氫聚硅氧烷以及端烯丙基聚醚發(fā)生加成反應生成了軟泡勻泡劑。

2.2 泡沫成型過程中軟泡勻泡劑作用

泡沫的成型過程是軟質(zhì)聚氨酯泡沫加工的一個難點和重點，而成型過程在很大程度上都會依賴于勻泡劑。勻泡劑在軟質(zhì)聚氨酯泡沫生產(chǎn)過程中主要有以下作用：

（1）對配方中的各個組分進行乳化。對于泡沫配方來說其各個原始組分的相溶性較差，因此表面活性劑必須要保持較強的乳化能力才能讓各個組分實現(xiàn)均勻混合，并進一步促進發(fā)泡反應和交聯(lián)反應的順利進行[3]。

（2）對泡沫起到穩(wěn)定作用。泡沫成型反應過程中通過加入適量的勻泡劑，能夠?qū)⑽锪媳砻鎻埩刂圃谧畹统潭?，在攪拌過程中空氣非常容易混入物料中形成氣泡核。在反應過程中生成的二氧化碳氣體進入到氣泡核時會進一步產(chǎn)生氣泡。成型反應過程中的氣泡數(shù)目在勻泡劑的作用下能夠保證氣泡大小的一致性。

（3）達到開孔和沖孔效果。要想保證產(chǎn)品的彈性，就必須要保證氣泡屬于開孔型，勻泡劑在產(chǎn)生作用后，因為發(fā)泡體系本身的黏度較低，而且泡孔壁比較穩(wěn)定，隨著氣泡的不斷生長，當其達到開孔厚度的情況下就會破裂，這就是開孔，泡沫在自然上升過程中達到一定高度，就會出現(xiàn)放氣和沖孔現(xiàn)象。

2.3 軟泡勻泡劑結(jié)構(gòu)和性能分析

2.3.1 勻泡劑特征的結(jié)構(gòu)參數(shù)

從本質(zhì)上來講軟泡勻泡劑屬于一種聚合物，不同聚合物本身的分子量以及分子量分布狀況都存在一定差異，因此聚合物本身的結(jié)構(gòu)相對比較復雜。為了能夠進行簡化分析，充分利用平均結(jié)構(gòu)來描述所有的有機勻泡劑結(jié)構(gòu)，將表面活性劑特性結(jié)構(gòu)參數(shù)表達式為：

其中，D描述的是表面活性劑特性結(jié)構(gòu)參數(shù)，m描述的是二甲基硅氧烷單元平均數(shù)，n描述的是甲基距離硅氧烷單元平均數(shù)。通過這些參數(shù)就能夠?qū)酆衔锏逆湕l和極性進行描述和表達。

2.3.2D值影響分析

對于軟泡勻泡劑來說，D值越高表示整個發(fā)泡體系在泡孔增大、放氣、熟化等各個環(huán)節(jié)都能夠保持良好穩(wěn)定性。D值越低則反之，在這種情況下會對泡沫的上升高度產(chǎn)生影響。在相關(guān)的實驗中發(fā)現(xiàn)，D值如果處在40范圍內(nèi)的時候，基本不會發(fā)揮出穩(wěn)泡性?？梢姡€(wěn)泡性與D值呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系，隨著D值的不斷增大，穩(wěn)泡性也會逐漸增加，這就表示泡沫具有更強的穩(wěn)定性，但是當泡沫穩(wěn)定性超過一定限值的情況下，會使得泡沫的閉孔率進一步增加，最終使得產(chǎn)品的黏度也會增加，對產(chǎn)品實際的使用性能會造成一定的影響，因此通常情況下會將D值設(shè)置在70～100[4]。

3 硬泡勻泡劑

3.1 硬泡勻泡劑合成探討

聚醚組合料、多異氰酸酯是合成硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的主要原料，而這兩種合成材料對儲存穩(wěn)定性要求較高。必須保證勻泡劑功能在有效儲存期內(nèi)不出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此勻泡劑通常情況下采取的都是具有非水解效果的Si-C 型結(jié)構(gòu)。與軟泡勻泡劑相比較，硬泡勻泡劑聚醚部分主要是由C-C 雙鍵和羥基組成，封端采取的并不是烷基。與此同時，硬泡勻泡劑在合成過程中不需要額外添加溶劑，而且鉑催化劑的使用量也非常少。目前我國硬泡勻泡劑的合成技術(shù)已經(jīng)處在了世界前列。

3.2 泡沫成型中硬泡勻泡劑作用

利用聚醚、聚酯多元醇等原料就能夠合成聚氨酯硬泡，在發(fā)泡反應過程中會出現(xiàn)較高的交聯(lián)度，而且閉孔率也比較高，氣泡很容易處在穩(wěn)定狀態(tài)下。硬泡主要應用在保溫、保冷領(lǐng)域，如冰箱、冰柜、建筑保溫、太陽能熱水器、管道保溫等，因此物料通常都具有較強的流動性，這也是硬泡合成過程中一項非常重要的工藝參數(shù)。流動性差會導致產(chǎn)品出現(xiàn)局部空缺的問題，一些情況下也會出現(xiàn)收縮的問題，由此會對產(chǎn)品的質(zhì)量以及外觀產(chǎn)生嚴重的影響，因此對于硬泡勻泡劑來說，必須要滿足以下一些要求：首先要具備較強乳化原料的能力；其次還要能具備對泡沫孔徑大小的較強控制力；再次使泡沫具備比較低的導熱系數(shù)。同時還要保障各種物料具備較好的流動性，而且密度也要實現(xiàn)均勻分布。

4 高回彈泡沫勻泡劑

分子量較大且活性較高的聚醚多元醇與異氰酸酯進行反應之后生成高回彈聚氨酯泡沫，早期的聚氨酯泡沫主要是用在汽車坐墊以及靠背等方面。聚醚分子量比較大，生成的泡沫產(chǎn)品也表現(xiàn)出了良好的彈性，而且不需要經(jīng)過熟化處理，因此，通常情況下也被稱為是熟化泡沫。高回彈泡沫的聚醚羥基的活性較好，因此發(fā)泡過程中能夠保持較好的穩(wěn)定性，因此合成過程中對勻泡劑的穩(wěn)定性要求較低，但是勻泡劑必須要保證較強的乳化性能和開孔性，如果高回彈泡沫合成過程中使用普通軟泡勻泡劑會導致出現(xiàn)嚴重閉孔現(xiàn)象，產(chǎn)品也將失去使用性能。高回彈泡沫的早期產(chǎn)品主要采用二甲基硅氧烷直接作為勻泡劑，但是在合成后仍然需要利用機械碾壓方式進行開孔。20世紀60年代泡沫技術(shù)進入了快速發(fā)展階段，針對傳統(tǒng)的HR 泡沫，人們利用乙烯基聚合物多元醇進行改性之后，使得泡沫產(chǎn)品能夠在保持良好回彈性能的條件下，實際的負載性能得到了進一步提升，從而使得其在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了廣泛應用。

5 結(jié)束語

不同聚氨酯泡沫產(chǎn)品成型過程中都需要用到結(jié)構(gòu)特定的勻泡劑，目前國內(nèi)在勻泡劑的研發(fā)和生產(chǎn)規(guī)模方面不斷擴大，勻泡劑均已實現(xiàn)國產(chǎn)化，市場競爭日趨激勵。雖然我國硬泡勻泡劑的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)處在了世界的前列，普通軟泡勻泡劑產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)能與國外的差距日漸縮小。但是，高回彈泡沫勻泡劑，無論是產(chǎn)品質(zhì)量還是產(chǎn)能與國外先進技術(shù)仍然存在在很大的差距。因此，需要針對勻泡劑的研發(fā)不斷加大投資，強化技術(shù)攻關(guān)，這樣才能全能提升產(chǎn)品質(zhì)量。