聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑

許曉辰（南京美思德新材料有限公司，江蘇 南京 210047）

1 聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑的結(jié)構(gòu)及作用

1.1 聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑的結(jié)構(gòu)

聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑俗稱“硅油”，又稱聚氨酯勻泡劑、聚氨酯泡沫穩(wěn)定劑等。目前該類有機(jī)硅表面活性劑大多都是聚醚改性的有機(jī)硅氧烷結(jié)構(gòu)，基本上以硅碳鍵型有機(jī)硅表面活性劑為主，以硅氧碳鍵改性有機(jī)硅表面活性劑為輔，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑的結(jié)構(gòu)

在通式中，m、n 分別代表二甲基硅氧烷和甲基聚醚烷基硅氧烷鏈段的平均數(shù)；x、y 分別代表聚醚分子中環(huán)氧乙烷和環(huán)氧丙烷鏈段的平均數(shù)目；R為碳原子數(shù)為1～4 的烷烴、酰氧基、芳香基團(tuán)或氫原子[2]。

1.2 聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑的作用

1.2.1 乳化增容作用

聚氨酯泡沫的主要原料為異氰酸酯、多元醇、催化劑、水、物理發(fā)泡劑、有機(jī)硅表面活性劑、其他助劑，各種原料間不能夠完全互溶或者互不相溶。在有機(jī)硅表面活性劑的結(jié)構(gòu)中，聚醚鏈段親水，而有機(jī)硅鏈段疏水，通過這兩段的共同作用，可以將體系中親水性和疏水性相差較大的不同原料形成一種均一的體系。

1.2.2 成核作用

按照經(jīng)典的成核理論，如下式所示：

低表面張力會(huì)減少形成氣泡所需吉布斯自由能(⊿E)，在外界能量(W外)和氣泡半徑（r）一定的條件下，表面張力越低形成的氣泡的數(shù)量(A)越多[2]。

有機(jī)硅表面活性劑可以有效降低體系表面的張力，形成更多的成核點(diǎn)，從而得到均勻細(xì)密的泡孔結(jié)構(gòu)。

1.2.3 穩(wěn)泡和開孔作用

在發(fā)泡初期，水和異氰酸酯反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳和聚脲，而大量的聚脲能夠在發(fā)泡過程中使得泡沫開孔。有機(jī)硅表面活性劑可以對聚脲進(jìn)行溶解，同時(shí)還可以將溶解后的聚脲均勻的分布在泡沫基體上，以確保在泡沫骨架形成之前穩(wěn)定泡沫。不同結(jié)構(gòu)的有機(jī)硅表面活性劑對聚脲的溶解性不同，選擇適當(dāng)品種可以控制聚脲的析出數(shù)量，從而控制開孔[3]。

2 聚氨酯泡沫用有機(jī)硅表面活性劑在聚氨酯泡沫中的應(yīng)用

2.1 在普通軟質(zhì)聚氨酯泡沫中的應(yīng)用

普通軟質(zhì)聚氨酯泡沫屬于開孔型泡沫，主要用于家私綿（制做床墊、沙發(fā)墊和椅墊等）以及工業(yè)復(fù)合綿（制做汽車內(nèi)飾，鞋材的鞋幫、帽子和箱包等的襯里），部分產(chǎn)品有阻燃性要求，制品的密度范圍很廣。

在普通軟質(zhì)聚氨酯泡沫發(fā)泡過程中泡沫不能出現(xiàn)開裂、塌泡或者閉氣、收縮等情況，最終泡沫的泡孔必須分布均勻。

因此用于普通軟質(zhì)聚氨酯泡沫的有機(jī)硅表面活性劑需要具備很強(qiáng)的穩(wěn)泡性能，防止塌泡；在發(fā)泡后期能夠適當(dāng)開孔，避免泡沫收縮。

對于低密度（8～15kg∕m3）而言，因?yàn)榕浞街兴昧慷?，需要選擇高活性的有機(jī)硅表面活性劑，這類產(chǎn)品的穩(wěn)泡性能強(qiáng)，對聚脲的溶解性很強(qiáng)，可以有效避免出現(xiàn)泡沫開裂情況；反之對于中高密度（25～55kg∕m3）則需要選擇中低活性的有機(jī)硅表面活性劑，防止因穩(wěn)泡性能過強(qiáng)導(dǎo)致泡沫過度閉氣而收縮。

阻燃型有機(jī)硅表面活性劑可以使阻燃劑在泡沫中均勻分散，提高阻燃劑的使用效率，已在阻燃型軟質(zhì)聚氨酯泡沫中廣泛使用。

2.2 在硬質(zhì)聚氨酯泡沫中的應(yīng)用

硬質(zhì)聚氨酯泡沫屬于閉孔型泡沫，主要用于噴涂（建筑外墻保溫、屋面防水、冷庫保冷、儲(chǔ)罐保溫等）、板材（建筑外墻保溫、冷藏車、活動(dòng)板房等）、家電（冰箱冰柜、熱水器等）、仿木（家具、鏡框、線條裝飾板等）、管道（輸油輸氣管道保溫等）、汽車（汽車頂棚等）等方面，應(yīng)用范圍極其廣泛。

其中在家電和板材應(yīng)用領(lǐng)域，對泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)及表面性能有很高的要求。

在強(qiáng)成核性能和強(qiáng)穩(wěn)泡性能的共同作用下，有機(jī)硅表面活性劑可以提高硬質(zhì)聚氨酯泡沫的閉孔率，使得泡孔更加細(xì)密，從而降低導(dǎo)熱系數(shù)。

采用穩(wěn)泡性能和乳化性能均衡的有機(jī)硅表面活性劑，配合適宜的多元醇，可以減少泡沫的表面缺陷，改善泡沫的表面性能。

另外，不同種類的發(fā)泡劑需要選擇不同乳化性能的有機(jī)硅表面活性劑來增強(qiáng)其在組合白料中的溶解性，保證組合白料體系的穩(wěn)定。

2.3 在高回彈聚氨酯泡沫中的應(yīng)用

高回彈聚氨酯泡沫主要用于交通工具墊材（汽車、飛機(jī)、摩托車、高鐵等座椅坐墊、靠背、頭枕）以及家用墊材（沙發(fā)、床墊、家具用墊材等）。

高回彈聚氨酯泡沫的回彈性好，舒適性好，泡孔均勻，滿足環(huán)保要求（低VOC、低FOG）。

針對不同的應(yīng)用，高回彈聚氨酯泡沫的配方體系按照異氰酸酯類型可分為全TDI體系，T∕M體系，全改性MDI體系等。

全TDI 體系的穩(wěn)定性差，發(fā)泡過程中易塌泡，需要選擇穩(wěn)泡型有機(jī)硅表面活性劑；全改性MDI 體系的穩(wěn)定性好，發(fā)泡容易閉孔，需要選擇開孔型有機(jī)硅表面活性劑；T∕M體系根據(jù)TDI和MDI的不同比例，選擇穩(wěn)泡型和開孔型兩款有機(jī)硅表面活性劑搭配使用，在穩(wěn)定泡沫的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)開孔，同時(shí)滿足泡孔均勻和泡沫舒適性。

用于高回彈聚氨酯泡沫的有機(jī)硅表面活性劑分子量比較小，易揮發(fā)，從而造成VOC值升高。通過重新選擇原材料，結(jié)構(gòu)調(diào)整，提高有機(jī)硅活性劑的耐遷移能力，開發(fā)低VOC、低FOG的有機(jī)硅表面活性劑，降低對泡沫的VOC和FOG的影響。

3 結(jié)語

綜上所述，聚氨酯泡沫應(yīng)用范圍極其廣泛，而有機(jī)硅表面活性劑是聚氨酯泡沫生產(chǎn)中是不可或缺的添加原料之一，且種類豐富、分類精細(xì)，在滿足各種市場需求的前提下，為聚氨酯泡沫性能的改善帶來更高的附加值，有著較強(qiáng)的應(yīng)用意義和社會(huì)價(jià)值。而在普通軟質(zhì)聚氨酯泡沫、硬質(zhì)聚氨酯泡沫以及高回彈聚氨酯泡沫對有機(jī)硅表面活性劑選擇上，還有著很多的應(yīng)用要點(diǎn)，需要進(jìn)一步深入研究。