陳金炎 彭小波 章林杰 相明華

(紹興市華創(chuàng)聚氨酯有限公司 浙江 紹興 312037)

硬質(zhì)聚氨酯泡沫具有導(dǎo)熱系數(shù)低、比強度高、耐化學(xué)腐蝕性好、質(zhì)量輕、耐冷熱性能好、耐老化好及燃燒時不產(chǎn)生熔滴等特點，廣泛應(yīng)用于建筑墻體、冷庫、家電、管道、設(shè)備、漁船、仿木、熱水器、模具、室內(nèi)裝飾和填充等領(lǐng)域。 傳統(tǒng)的硬質(zhì)聚氨酯泡沫所使用的CFC-11 和HCHC-141b 發(fā)泡劑已經(jīng)被禁用或逐步淘汰[1-2]。 制備全水硬質(zhì)聚氨酯泡沫時，水作為發(fā)泡劑，由異氰酸酯與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2氣體，CO2氣體留在其中形成泡沫體。 水既經(jīng)濟、環(huán)保又安全，CO2具有ODP 值為0、GWP 值極低、發(fā)泡效率高、不燃、無毒及綠色環(huán)保等優(yōu)良的特性[3]。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫的配方中常采用添加胺類催化劑來控制反應(yīng)活性，胺類催化劑在泡沫合成和使用過程中易揮發(fā)，VOC 含量大。 隨著人們生活質(zhì)量的提高，對硬質(zhì)聚氨酯泡沫的低VOC 要求更高，不添加胺類催化劑可有效降低VOC 含量。 而鄰甲苯二胺(OTDA)聚醚具有自催化活性，和異氰酸酯互溶性好，制品尺寸穩(wěn)定性好，強度高[4]，是研究人員關(guān)注的熱點。

本實驗采用OTDA 聚醚，反應(yīng)體系中不需要添加胺類催化劑，研究對比了不同含量OTDA 聚醚所制的硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能的差異。

1 實驗部分

1.1 原料及儀器

組合聚醚(白料)，自配；鄰甲苯二胺(OTDA)聚醚401P、山梨醇聚醚635，河北亞東化工集團有限公司；苯酐聚酯3152，南京斯泰潘化學(xué)有限公司；磷酸三乙酯(TEP)，安徽潤岳科技有限責(zé)任公司；三(2-氯丙基)磷酸酯(TCPP)，揚州晨化新材料股份有限公司；泡沫穩(wěn)定劑AK665，上海贏創(chuàng)特種化學(xué)有限公司；去離子水，自制；多亞甲基多苯基多異氰酸酯PM200，萬華化學(xué)集團股份有限公司。 以上均為工業(yè)級。

WDW-5 型電子萬能試驗機、SSX-DR300 型智能導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，三思行測控技術(shù)有限公司；JF-3型氧指數(shù)測定儀，承德市大加儀器有限公司；AccuPyc 1330 型閉孔率測定儀，美國麥克儀器公司；WHTM-108CN 型可程式恒溫恒濕試驗箱，香港偉煌科技有限公司；TMB3500 型攪拌電鉆，Bosh 公司；攪拌槳、鐵質(zhì)模具(尺寸300 mm×300 mm×100 mm)，自制。

1.2 泡沫的制備過程

表1 為聚氨酯硬泡配方。

表1 聚氨酯硬泡發(fā)泡配方

按照表1 配方，采用一步法發(fā)泡工藝制備硬質(zhì)聚氨酯泡沫。 維持料溫和發(fā)泡環(huán)境溫度為20 ℃。首先制備組合聚醚(白料)，即按照配比加入聚醚多元醇90 份、聚酯多元醇3152 10 份，阻燃劑TEP 10 份，阻燃劑TCPP 20 份，去離子水2.5 份、泡沫穩(wěn)定劑AK665 2 份，混合均勻。 其中，聚醚多元醇為OTDA 聚醚401P 和山梨醇聚醚635 兩者混配，總量90 份。 接著，在20 ℃下分別稱取一定量的白料和異氰酸酯PM-200(黑料)，再把黑料迅速倒入白料杯中，立即用轉(zhuǎn)速2 500 r/min 的電動攪拌器攪拌10 s，然后將混合液倒入模具進行自由泡發(fā)泡，所得硬泡常溫下熟化24 h 后測試相關(guān)性能。

1.3 分析與測試

表觀芯密度按照GB/T 6343—2009 測試；壓縮強度按照GB/T 8813—2020 測試；泡沫氧指數(shù)按照GB/T 2406.2—2009 測試；導(dǎo)熱系數(shù)按照GB/T 10295—2008測試；閉孔率按照GB/T 10799—2008 測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 OTDA 聚醚用量對發(fā)泡參數(shù)的影響

表2 為不同用量的OTDA 聚醚401P 對發(fā)泡參數(shù)和自由泡密度的影響。

表2 OTDA 聚醚用量對發(fā)泡參數(shù)和自由泡密度的影響

由表2 可知，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫的乳白時間明顯縮短，凝膠時間和固化時間相應(yīng)縮短。 采用20 份OTDA 聚醚時，發(fā)泡的乳白時間為80 s，而采用80 份OTDA 聚醚時，發(fā)泡的乳白時間為16 s，乳白時間快了5 倍。 這是由于鄰甲苯二胺聚醚結(jié)構(gòu)中存在氮原子和苯環(huán)，使其具有自催化作用。 隨著OTDA 聚醚用量的增加，自由泡密度逐漸降低，降幅收窄。 OTDA 聚醚用量偏少時，發(fā)泡速度整體偏慢，自由泡密度偏大。

2.2 OTDA 聚醚用量對泡沫壓縮強度的影響

表3 為OTDA 聚醚用量對泡沫壓縮強度的影響。

表3 OTDA 聚醚用量對泡沫壓縮強度的影響

由表3 可知，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫的壓縮強度先減小后增大。 采用20 份和40 份OTDA 聚醚時泡沫的壓縮強度比采用60 份OTDA聚醚時泡沫的壓縮強度高，這是由于OTDA 聚醚用量為20 份和40 份時泡沫的密度較大的緣故；采用80 份OTDA 聚醚時泡沫的壓縮強度比采用60 份OTDA 聚醚時泡沫的壓縮強度高，說明當(dāng)泡沫密度相同時，采用OTDA 聚醚能增加泡沫的壓縮強度。

2.3 OTDA 用量對泡沫氧指數(shù)和尺寸穩(wěn)定性影響

表4 為不同OTDA 聚醚用量對泡沫氧指數(shù)和尺寸穩(wěn)定性的影響。

表4 OTDA 聚醚用量對泡沫氧指數(shù)和尺寸穩(wěn)定性的影響

由表4 可知，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫氧指數(shù)略有增加，但增加幅度不明顯。 這是由于OTDA 聚醚中有氮原子和苯環(huán)的存在，對阻燃有一定的作用。 在70 ℃、90%RH 下，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫的高溫尺寸穩(wěn)定性增加；在-20 ℃時，OTDA 聚醚用量增加，泡沫的低溫尺寸穩(wěn)定性略有增加，但增加幅度不明顯。 這是因為OTDA 聚醚中存在的苯環(huán)結(jié)構(gòu)強度高，對泡沫的尺寸穩(wěn)定性有增強作用。

2.4 OTDA 聚醚對泡沫閉孔率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

表5 為不同OTDA 聚醚用量對泡沫閉孔率和導(dǎo)熱系數(shù)(20 ℃)的影響。

表5 OTDA 聚醚用量對泡沫閉孔率和導(dǎo)熱系數(shù)的影響

由表5 可知，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫閉孔率逐漸增加，泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。OTDA 聚醚具有自催化活性，與異氰酸酯互溶性好，隨著OTDA 聚醚用量的增加，泡沫的發(fā)泡速度變快，泡孔均勻細膩。

3 結(jié)論

OTDA 聚醚對全水硬質(zhì)聚氨酯泡沫的自催化能力隨添加量的增加明顯加快，泡沫密度逐漸降低；隨著OTDA 聚醚份數(shù)的增加，泡沫的壓縮強度增大，阻燃性略微增加，尺寸穩(wěn)定性增加，同時閉孔率逐漸升高，導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低。