发泡剂和扩链剂 /交联剂对聚酯型聚氨酯泡沫的影响

摘要: 采用预聚体法制备聚酯型聚氨酯泡沫，利用全水发泡，分别采用 1，4 － 丁二醇( BDO) 和三羟甲基丙烷( TMP) 做扩链剂和交联剂，考查三者对聚酯型聚氨酯泡沫的性能影响。结果表明: 随着水用量的增加，泡沫密度不断下降，力学性能增加，回弹性能呈现先增加后减小的趋势，当水的用量为 2. 5 ～ 3 质量份时泡沫的各项性能最均衡; 扩链剂和交联剂的加入使泡沫的力学性能得到提升，同时会降低回弹性能，最佳的扩链剂和交联剂的配比为 1. 5 质量份的 BDO 和 0. 5 质量份的 TMP。

聚氨酯( PU) 是由有机二异氰酸酯或多异氰酸酯与二羟基或多羟基化合物加成聚合得到的一类高聚物［1］，聚氨酯泡沫是聚氨酯材料中重要的一个类别。聚酯型聚氨酯泡沫相对聚醚型聚氨酯泡沫所做的研究工作较少，但是聚酯型聚氨酯泡沫具有优异的 力 学 性 能 和 耐 油 性 能，存在着广泛的应用［2］。发泡剂作为聚氨酯泡沫中重要的助剂之一，其种类和数量对 PU 泡沫的物理机械性能、泡沫密度等有着直接的影响，水作为一种化学发泡剂在聚氨酯泡沫的制备过程中无污染、效率高、更安全; 同时作为另外一种重要的助剂，扩链剂/交联剂一般是含有多官能团的活性氢化合物，对泡沫的力学性能有着非常重要的影响。本文重点探究在聚酯型聚氨酯泡沫的制备过程中水的最佳用量及扩链剂和交联剂的最佳配合比例，并讨论两者对聚酯型聚氨酯泡沫的性能影响。

1 实验部分

1. 1 实验原料

聚酯多元醇 POL － 56T，Mn = 2000g /mol，青岛九盛化工科技有限公司; 甲苯 － 2，4 － 二异氰酸酯( TDI － 80) ，分析纯，国药集团化学试剂有限公司;催化剂 A － 1、辛酸亚锡，分析纯，青岛九盛化工科技有限公司; 软泡硅油，工业级，青岛九盛化工科技有限公司; 1，4 － 丁二醇( BDO) ，分析纯，国药集团化学试剂有限公司; 三羟甲基丙烷( TMP) ，工业级，青岛九盛化工科技有限公司。

1. 2 主要实验设备及测试标准

表观密度按照 GB /T 6343 － 1986 进行测定; 按 照 GB /T 6344 － 1986《软泡拉伸强度和断裂伸长率的测定》来测试泡沫的拉伸性能; 按照 GB/T 10808 － 89测试泡沫的撕裂性能; 按照 GB /T 6670 － 1986《软质泡沫聚合材料落球回弹性能的测定》测试泡沫的回弹性能。

1. 3 预聚体的制备

( 1) 取一定质量的 POL － 56T 放入圆形单口烧瓶中，在恒温油浴 120℃的环境下，将单口烧瓶连接在旋片式真空泵上。在真空环境下对 POL － 56T 进行加热 2h 左右，直至物料中没有或有极少的气泡抽出，此时 POL － 56T 中的水分去除彻底。

( 2) 将前期预处理过的一定量的 POL － 56T 加入到四口玻璃烧瓶中，待温度稳定在 70℃ 时，按照计算的量一次性加入 TDI － 80，保持温度恒定，并在氮气吹扫的环境下进行反应，大约 2h 之后停止反应得到聚酯型预聚体。

1. 4 聚氨酯泡沫的制备

预聚体的制备完成后，保持预聚体的温度为预设温度下，将泡沫稳定剂、扩链剂、交联剂、催化剂和水先后加入到预聚体中，在高速搅拌器下进行高速搅拌，待体系发白时迅速将物料倾倒入模具中，模具事先在烘箱中保持一定的温度。将模具封闭完全后转入到 40℃ 的烘箱中，继续熟化 5h ～ 6h，温度降至室温后取出泡沫成品。在室温下熟化几天后进行性能测试。

2 结果与讨论

2. 1 水量对聚氨酯泡沫性能的影响

2. 1. 1 水量对聚氨酯泡沫表观密度的影响

图 1 所示，随着水量的增加，泡沫的表观密度逐渐地减小。当水的含量从 1 份提高到 4 份时，泡沫的密度由 128kg /m3降至 87kg /m3，下降了 32% 。这主要是因为水和异氰酸酯反应( 式 1) 在体系中生成的二氧化碳增多，使得泡孔的孔径变大( 见图 2) ，从而降低聚氨酯泡沫的密度。

－ NCO + H2O→ － ＲNHCOOH→ － ＲNH3 + CO2↑ ( 1)

2. 1. 2 水量对聚氨酯泡沫力学性能的影响

如图 3 所 示，随 着 水 量 的 增 加，聚 氨 酯 泡 沫的拉伸强度和撕裂强度在逐渐地增加。这 主 要是因为随着水量的增加，水和异氰酸酯反应生成的聚脲化合物也在增多，增加了大量的脲基，而脲基在聚氨酯分子链中是以硬段的形式存在的，再加上本实验所使用的 TDI 也 是 具 有 苯 环 结 构的，致使硬 段 含 量 增 加，硬段含量的增加为聚合物分子链提供了更多的力学承载能力，因此泡沫的拉伸强度和撕裂强度逐渐增大。影 响 力 学 性能的因素除了分子链中软段和硬段的含量及比例外，还有分子间作用力［3］。由于分子链中脲基的增加，分子链间形成的氢键增多，抵 抗 外 力 作用也越强，所以随着用水量的增加，泡 沫 的 拉 伸强度和撕裂强度会增加。

2. 1. 3 水量对聚氨酯泡沫回弹性的影响

由图 4 可知，泡沫回弹率随水量的增加而呈现先增加后减小的趋势，当 水 量 为 2. 5 份 时，泡沫回弹率最高为 33% 。分子链中脲基增加使得分子间氢键含量增加，在一定程度上增加了聚合物分子链的“交联”，使弹性增加，同时也因为总体水量较 少 的 时 候，随着水量的增加，反 应 生 成的二氧化 碳 气 体 增 多，泡孔开孔更容易，所 以 进一步增加了聚氨酯泡沫的回弹性能。但 是 在 氢键含量过多时，“交联”程度增加，严格限制了聚合物分子 链 的 活 动，致使分子链柔顺性降低，弹性降低; 脲基的过多堆积会导致泡孔粗大，相 分离严重［4］，外观上表现为泡沫的手感差，失 去 弹性变得较脆。

2. 2 扩链剂和交联剂对聚氨酯泡沫性能的影响

如表 1、图 5 ～ 图 7 所示，在一定的范围内，随着BDO 含量的增加，泡沫的拉伸强度、撕裂强度和回弹率均出现上升; 随着 TMP 用量的增加，泡沫的拉伸强度、撕裂强度逐渐增加，而回弹率却在下降。这是因为: BDO 量的增加会明显地增长聚合物分子链，使分子链的运动能力提升，当受到外力的时候能够通过链段的活动来吸收能量，从而增加拉伸强度和撕裂强度，回弹性也得到很好的改善，但是这样会降低泡沫样品的硬度。在 BDO 用量固定的情况下，随着 TMP 用量的增加，聚合物分子链间的交联明显增多，使体系的交联密度上升，保留的自由体积变小，导致链段的运动能力下降，柔顺性变差，所以回弹性会变小［5］。交联结构增多，增加了泡沫结构的保持力，能够抵抗较大外力，因此强度增加。虽然 TMP 用量的增加利于泡沫强度的增加，但是同时也会造成泡沫制品的硬度增加，甚至会出现泡沫收缩的情况，所以在配方中交联剂的用量不宜过多。

3 结论

( 1) 采用预聚体法制备聚酯型聚氨酯泡沫时，随着发泡剂———水用量的增加，泡沫密度不断下降，力学性能增加，回弹性能呈现先增加后减小的趋势，综合各项性能，聚酯型聚氨酯泡沫制备中水的用量应控制在 2. 5 ～ 3 质量份。

( 2) 扩链剂和交联剂的加入会通过提高分子链的交联程度使泡沫的力学性能得到提升，但是过多的交联会降低回弹性能，所以综合考虑各项性能，最佳的扩链剂和交联剂的配比为 1. 5 质 量 份 的BDO 和 0. 5 质量份的 TMP。