季顯豐 郭志峰 劉偉 王禹橙 李春曉

（長春富維安道拓汽車飾件系統(tǒng)有限公司，長春130033）

1 前言

汽車座椅用高回彈聚氨酯泡沫，是由聚醚多元醇與異氰酸酯在發(fā)泡劑、開孔劑、表面活性劑、胺類催化劑及交聯(lián)劑助劑作用下反應(yīng)制得。涉及主要化學(xué)反應(yīng)包含異氰酸酯與水反應(yīng)生成二氧化碳的發(fā)泡反應(yīng)和異氰酸酯與聚醚多元醇生成聚氨酯的凝膠反應(yīng)。但普通高回彈聚氨酯泡沫眾多廠商對豐田體系座椅用高回彈聚氨酯泡沫標(biāo)準(zhǔn)接觸不多，如應(yīng)力松弛、落球回彈等。深入研究工藝參數(shù)對應(yīng)力松弛的影響可實現(xiàn)在可控條件下提升座椅舒適性。應(yīng)力松弛主要反映材料受到應(yīng)力后內(nèi)部應(yīng)力隨時間的增加而衰減的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象對產(chǎn)品承載能力有較大影響，所以在工業(yè)應(yīng)用中必須考慮該現(xiàn)象在產(chǎn)品長時間服役時的表現(xiàn)[1-3]。豐田體系通過評價泡沫在196 N/314 cm2應(yīng)力下保持5 min和1 h后的應(yīng)力松弛率來評價泡沫的承載能力。應(yīng)力松弛率越低，證明泡沫長期承載能力越高。本研究主要探討發(fā)泡工藝中水含量、接枝聚醚含量、反應(yīng)指數(shù)、開孔次數(shù)及密度對5 min應(yīng)力松弛的影響。

2 試驗部分

2.1 主要原料及設(shè)備

異氰酸酯（TM8020）,工業(yè)級，巴斯夫（中國）有限公司；聚醚多元醇P1，工業(yè)級，天津三石化有限公司；聚醚多元醇P2，工業(yè)級，天津三石化。聚醚多元醇P3，工業(yè)級，天津三石化。

2.2 儀器設(shè)備

ABB型澆注機器人，日本FANUC公司；4組份混合頭（MK18-22ULP型），德國KM公司；泡沫生產(chǎn)環(huán)線（32工位）、湖南精正設(shè)備制造有限公司；全自動混料設(shè)備，湖南精正設(shè)備制造有限公司；發(fā)泡模具，吉林省恒通機電設(shè)備有限責(zé)任公司；Z005C型電子萬能材料試驗機，德國ZWICK公司。泡沫開孔機，德國Alba公司。

2.3 試驗過程

將聚醚多元醇P1、聚醚多元醇P2，聚醚多元醇P3，將3種聚醚按一定比例與異氰酸酯（TM8020）在混合頭內(nèi)共混后注入400 mm×400 mm×200 mm模具，經(jīng)發(fā)泡線熟化后，脫模并碾壓開孔。

原料溫度(25±3)℃，模具溫度(55±5)℃，模具閉合壓力250～450 kPa。

將樣品按TSM 7100G（Rev.8 2004）要求進行制備及檢測，試樣尺寸100 mm×100 mm×50 mm（帶表皮），表皮面向上，壓盤面積為314 cm2，預(yù)載1.5 N/314 cm2，記錄試驗案臺的橫梁位置記為T1,預(yù)載1.5 N/314 cm2，記錄樣件橫梁位置T2，自動識別泡沫初始厚度記為h0（T2-T1），以50 mm/min速度加壓至初始厚度75%形變位置后立即以50 mm/min回到h0,保壓60 s，完成預(yù)壓過程。再次以50 mm/min速度，加載到196 N/314 cm2時停止，此時F0=196 N/314 cm2，保持衡量位置不變5 min，讀取力值F5。根據(jù)公式（1）計算應(yīng)力松弛率。

式中，a5為應(yīng)力松弛率；F0為壓盤停止時加載載荷（N/314 cm2）；F5為加載樣品5 min時顯示力值（N/314 cm2）。

3 結(jié)果與討論

3.1 水的質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)力松弛率的影響

水的質(zhì)量分數(shù)及異氰酸酯指數(shù)是聚氨酯泡沫發(fā)泡過程中兩個關(guān)鍵的工藝參數(shù)[4]。本試驗通過4組分混合頭對混P1、P2、P3得到含水的質(zhì)量分數(shù)2.74%的混合聚醚，泡沫密度為63 kg/m3,異氰酸酯指數(shù)為95%，接枝聚醚含量為35.5%，基礎(chǔ)反應(yīng)體系與TM8020在混合頭內(nèi)對混，發(fā)泡制備樣品。本單元僅討論水的質(zhì)量分數(shù)分別為2.25%、2.46%、2.74%、2.95%、3.25%的混合聚醚，在上述反應(yīng)體系下對應(yīng)力松弛率的影響。

制備聚氨酯過程中水與異氰酸酯反應(yīng)生成聚脲和二氧化碳，水含量的質(zhì)量分數(shù)不僅影響發(fā)泡反應(yīng)時泡沫的起生速率，也對泡沫微觀結(jié)構(gòu)有較大影響，當(dāng)發(fā)泡反應(yīng)速率大于凝膠反應(yīng)速率時，泡沫易產(chǎn)生塌泡缺陷，反之泡沫趨向閉孔，產(chǎn)品易收縮，所以水含量在發(fā)泡工藝中至關(guān)重要。

由圖1可以看出，當(dāng)水的質(zhì)量分數(shù)為2.25%時，在壓縮至196 N/314 cm2保持5 min后，應(yīng)力減小到171.4 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為12.6%。當(dāng)水的質(zhì)量分數(shù)增加至3.23%時，在壓縮至196 N/314 cm2保持5 min后，應(yīng)力減小到167.5 N/314 cm2,應(yīng)力松弛率為14.6%。當(dāng)水的質(zhì)量分數(shù)低于2.25%時，制品填充不足，高于3.25%后制品起升過快引發(fā)塌泡。綜合來看，當(dāng)水的質(zhì)量分數(shù)在2.25%～3.25%之間時，5 min后制品應(yīng)力隨水含量質(zhì)量分數(shù)的增加而線性減小，應(yīng)力松弛率隨水含量的增加而線性升高。

圖1 水的質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)力松弛的影響

3.2 接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)力松弛率的影響

自制的3種聚醚中P3主要成分為接枝聚醚3600，接枝聚醚能夠增加體系交聯(lián)程度和產(chǎn)品剛性的作用。接枝聚醚在聚醚中比例越高，產(chǎn)品硬度就越大，對產(chǎn)品支撐效果好，但不利于包覆整椅產(chǎn)品，并且用量大于70%時產(chǎn)品易產(chǎn)生塌泡和熟化問題。接枝聚醚用量太少，產(chǎn)品硬度又很難達到圖紙設(shè)計要求。所以此試驗在3.1中反應(yīng)體系框架下，設(shè)定接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)分別為25.9%、35.5%、45.1%、56.7%、69.1%。

從圖2可以看出，當(dāng)接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)25.9%時，196 N/314 cm2保持5 min后應(yīng)力減小至172.2 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為12.1%，當(dāng)接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)增加至69.1%時，196 N/314 cm2保持5 min應(yīng)力減小至160.2 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為18.3%。綜合來看，當(dāng)接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)在26%～70%之間時，在196 N/314 cm2保持5 min時應(yīng)力隨接枝聚醚含量的增加而線性減小，應(yīng)力松弛率隨接枝聚醚含量的增加而線性升高。所以要減少應(yīng)力松弛率就盡可能減少接枝聚醚用量。

圖2 接枝聚醚質(zhì)量分數(shù)對應(yīng)力松弛的影響

3.3 異氰酸酯指數(shù)對應(yīng)力松弛率的影響

異氰酸酯指數(shù)是在聚氨酯泡沫反應(yīng)體系中異氰酸酯實際用量與理論用量的比值。異氰酸酯的用量不僅影響發(fā)泡反應(yīng)的反應(yīng)速率，也會影響凝膠反應(yīng)中泡沫的熟化，兩個反應(yīng)的平衡是發(fā)泡過程至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，異氰酸酯的用量太低或太高均不利于泡沫熟化，所以此試驗在3.1中反應(yīng)體系框架下，異氰酸酯指數(shù)分別為75%、80%、85%、90%、95%、100%、105%。

從圖3可以看出，當(dāng)異氰酸酯用量為75%時，196 N/314 cm2保持5 min后應(yīng)力減小至150.7 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為23.1%，當(dāng)異氰酸酯用量增加至105%時，196 N/314 cm2保持5 min應(yīng)力增加至172.2 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為12.2%。綜合來看，當(dāng)異氰酸酯用量在75%～105%之間時，在196 N/314 cm2保持5 min時應(yīng)力隨著異氰酸酯用量的增加而線性增加，應(yīng)力松弛率隨異氰酸酯用量的增加而線性降低。所以要減少應(yīng)力松弛率就應(yīng)至少增加異氰酸酯用量至105%。在該體系下繼續(xù)增加異氰酸酯用量后外觀出現(xiàn)熟化不良現(xiàn)象，如果產(chǎn)品外觀及熟化無缺陷，也可嘗試繼續(xù)增加異氰酸酯用量至外觀達到臨界狀態(tài)。

圖3 異氰酸酯指數(shù)對應(yīng)力松弛的影響

3.4 開孔次數(shù)對應(yīng)力松弛率的影響

泡沫在模具內(nèi)熟化后需要經(jīng)過開孔工藝，否則泡沫會因閉孔產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，開孔次數(shù)越多，開孔率越高，通過開孔次數(shù)增加可變相增加泡沫熟化后的開孔率。采用德國Alba公司的開孔機進行開孔,真空度為-0.08 MPa。

此試驗在3.1中反應(yīng)體系框架下且開孔次數(shù)在0～32次范圍進行，從圖4可以看出，當(dāng)不進行真空開孔時，196 N/314 cm2保持5 min應(yīng)力衰減為166.7 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為14.9%，逐漸增加開孔次數(shù)至16次時196 N/314 cm2保持5 min應(yīng)力衰減的最少為169.7 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率為13.4%。隨開孔次數(shù)的增加應(yīng)力逐漸增加，應(yīng)力松弛率逐漸降低，當(dāng)真空開孔次數(shù)增加至16次后應(yīng)力與松弛率參數(shù)不再變化。

圖4 開孔次數(shù)對應(yīng)力松弛的影響

3.5 制品密度對應(yīng)力松弛率的影響

密度體現(xiàn)在單位體積所投入原料比例。此試驗在3.1中反應(yīng)體系框架下密度分別在54.2、58.3、63.0、67.2、71.5 kg/m3范圍進行。密度越高，泡沫外觀缺陷相對會減少，但是成本偏高。密度越低，雖節(jié)約了成本，但是對工藝穩(wěn)定性要求極高，并且修補率會增高，所以在工藝中密度的調(diào)試，除了考慮成本問題，更要考慮因質(zhì)量缺陷帶來客戶抱怨的風(fēng)險。

從圖5中可以看出，當(dāng)泡沫密度分別為54.2 kg/m3和71.5 kg/m3時，196 N/314 cm2保持5 min后應(yīng)力分別減小至167.8 N/314 cm2和170.3 N/314 cm2，應(yīng)力松弛率分別為14.4%和13.1%，并且在該密度范圍內(nèi)，松弛應(yīng)力隨密度增加而線性增大，相應(yīng)應(yīng)力松弛率線性減小。所以要減少應(yīng)力松弛率就應(yīng)考慮適當(dāng)增加泡沫密度。如果產(chǎn)品外觀及熟化無缺陷，也可嘗試繼續(xù)增加化料澆注量增加密度降低應(yīng)力松弛率。

圖5 密度對應(yīng)力松弛的影響

4 結(jié)論

根據(jù)以上研究，在異氰酸酯TM8020體系下，為使聚氨酯泡沫應(yīng)力松弛率降低，可以考慮從以下5個方面制定優(yōu)化方案。

a.在外觀允許的情況下，盡量降低泡沫水含量，至少可降至2.25%；

b.在硬度可以滿足產(chǎn)品特性情況下，應(yīng)盡量減少接枝聚醚投入量；

c.異氰酸酯用量增多可增加應(yīng)力，降低應(yīng)力松弛率，在熟化效果及外觀允許情況下，可嘗試繼續(xù)增加異氰酸酯用量；

d.真空開孔次數(shù)應(yīng)大于16次；

e.在產(chǎn)品特性規(guī)定范圍內(nèi)盡量增加投料量，密度增大有利于降低應(yīng)力松弛率。