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1、聚氨酯化学与工艺 Chap.4 聚氨酯泡沫塑料 4.5 软质聚氨酯泡沫塑料 教学目的及要求 通过本章的学习，了解聚氨酯泡沫材料的 分类，熟悉掌握形成泡沫的化学反应、成泡 原理、稳定原理，了解泡沫材料的加工工艺 方法，了解块状泡沫、模塑泡沫的制备方法 ，掌握制备泡沫材料所用原料种类，熟悉软 泡、硬泡、高回弹等泡沫的配方计算方法， 了解泡沫材料的用途。 4.4 配方异氰酸酯用量的基本计算 聚氨酯泡沫塑料基本配方中一般含聚醚 多元醇(或聚酯多元醇)、水(化学发泡剂)、物 理发泡剂、泡沫稳定剂(匀泡剂)、催化剂及异 氰酸酯等。 在聚氨酯泡沫塑料配方设计或表达时通 常以100质量份多元醇为基准，配方其余
2、组分 则一般表示为“份100份多元醇”，或直接 表示为多少份。 配方表示举例： 密度8kg/m3软泡配方 原料 聚醚 TMN3050(羟值56mgKOH/g) 100 水 7 硅油 DABCO DC188 2.8 辛酸亚锡 0.7 胺催化剂 DABCO CS-94 0.17 二氯甲烷 30 TDI指数 117 密度，kg/m3 8 密度28kg/m3软泡配方 原料 聚醚 Voranol 3010 100 水 2.2 硅油 2370 1.2 辛酸亚锡 0.17 三乙烯二胺（33溶液） 0.3 CFC-11 10 TDI指数 107 TDI 80/20 40.9 密度，kg/m3 28 性能： 密
3、度， kg/m3 28.2 压陷硬度，65,N 120 25%,N 45 拉伸强度，Kpa 55.3 撕裂强度，N/cm 1.54 伸长率， 188 回弹率， 45 按配方中的含羟基(或胺基)及水的用量， 可计算需耗用多异氰酸酯的用量。异氰酸酯用 量还可以用异氰酸酯指数来表示，若计算异氰 酸酯正好与活泼氢基团完全反应，则异氰酸酯 指数为100(有时用1.00)，若异氰酸酯指数为 105(或1.05)，则表示异氰酸酯过量5。 (1)由聚醚(或聚酯)多元醇的羟值或相对分 子质量可计算每份多元醇所需异氰酸酯的单元 用量(质量)。 软泡所用的多异氰酸酯以TDI为主，所需 TDI的单元用量设为M1T，硬
4、泡以及部分冷熟化 模塑软泡等采用粗MDI(即PAPI)，设其单元用 量为M1M 。 式中，式中，QQ为多元醇的羟值，为多元醇的羟值，MM和和f f分别表示多元醇的分别表示多元醇的 分子量和平均官能度，分子量和平均官能度，174.1174.1和和2 2分别是分别是TDITDI的分子量和的分子量和 官能度，官能度，NCO%NCO%和和4242分别是异氰酸酯中的分别是异氰酸酯中的NCONCO质量分质量分 数数( (可稍有差异可稍有差异) )和和NCONCO的摩尔质量。若采用的摩尔质量。若采用PAPIPAPI，则，则 可异氰酸酯的可异氰酸酯的NCO%NCO%质量分数为质量分数为0.300.30左右左右
5、) )，进行各项，进行各项 计算。计算。 计算式为：计算式为： (2)计算每份水所需消耗异氰酸酯的用量 M2T (118.02)174.19.67 M2M (118.02)2/(0.3042)15.54 式中， M2T和M2M分别表示每l份水所需TDI和PAPI 的用量，18.02是水的相对分子质量，根据反应方程式 ，1个水分子消耗2个NCO(如1个TDI分子)。配方中化学 发泡剂水的用量一般指总的水用量，除加入的水外，还 包括聚醚多元醇及其它组分所含的水分。 由于多元醇含有少量水分，100份多元醇所含的水分 就较可观，一般需把多元醇及填料、助剂中所含的水分 计算在内。 (3)其它含活性氢组分
6、所需TDI的计算 若使用三亚乙基二胺的33溶液，则需计算67溶 剂如二丙二醇或其它二醇的用量及所需TDI的用量。 泡沫中有时使用交联剂如二乙醇胺等，亦可用 计算所需计算所需TDITDI或或PAPIPAPI等的用量。一些常见的活性氢组分每等的用量。一些常见的活性氢组分每 质量份所需消耗的质量份所需消耗的TDITDI用量见下表。用量见下表。 含活泼氢组分分子量 M官能度 fTDI用量（份/份） 多元醇可变可变0.00155羟值 水18.0229.67 DABCO 33LV0.870 二甲基乙醇胺89.110.977 二乙醇胺105.132.485 三乙醇胺149.231.751 乙二醇62.062
7、2.806 丙二醇76.0822.289 二丙二醇134.221.298 二乙二醇106.121.642 配方中某些成分消耗的TDI质量 (4)计算整个配方所需异氰酸酯的用量 把每质量份含活性氢原料所需消耗的异氰酸酯分别乘以实际用量，加和后乘以异氰酸酯指数即得整个配方所需异氰酸酯的用量。 例如，在软泡生产中，一次用68kg多元醇(羟值 56mgKOHg，含水分0.1)，配方中加水3份l00份 多元醇，不计其它助剂消耗的TDI，TDI指数为105， TDI纯度以l00计，则TDI的用量为： 计算方法二： 式中：Miso异氰酸酯的质量 Xi 聚合物多元醇的份数 Mi聚合物多元醇的质量 Q聚合物多元
8、醇的羟值 H2O水的总量（包括实际加水量和材料含水量） MK扩链剂的质量 NK扩链剂的当量 Niso异氰酸酯的当量 P异氰酸酯的纯度 K异氰酸酯指数 计算举例：已知一一步法PU软泡配方如下，计算TDI用量 聚氧化丙稀醚三醇（羟值 56mgKOH/g，含水0.1%) 70 聚氧化丙稀醚二醇（羟值 112mgKOH/g，含水0.2%) 30 Dabco 33LV（67的二丙二醇溶液） 0.1 水 3.3 T-9 0.2 T-12 0.1 TDI(80/20)指数(纯度99） 1.05 计算TDI加入量 即100克多元醇中加入TDI 47.28克 4.5 软质聚氨酯泡沫塑料 4.5.1 特性及分类
9、4.5.2 块状软泡 4.5.2.1 箱式发泡工艺 4.5.2.2 连续发泡软泡生产工艺 4.5.2.3 连续法块泡生产设备 4.5.2.4 软泡的后加工 4.5.2.5 配方原料体系对块泡性能的影响 5.4.2.6 环境因素对块泡物性的影响 4.5.3 模塑软泡 4.5.4 特种软质泡沫塑料 4.5.1 特性及分类 1、定义及特性 定义：软质聚氨酯泡沫塑料(flexible PU foam, 简称聚氨酯软泡)是指具有一定弹性的一类柔软 性聚氨酯泡沫塑料。它是用量最大的一种聚氨酯 产品。 特性：聚氨酯软泡的泡孔结构多为开孔的。 一般具有密度低、弹性回复好、吸音、透气、 保温等性能。主要用作家具
10、、垫材、交通工具 座椅垫材、各种软性衬垫层压复合材料，工业 和民用上也把软泡用作过滤材料、隔音材料、 防震材料、装饰材料、包装材料及隔热保温材 料等。在聚氨酯泡沫塑料制品中，有60%以上是 软泡。 2、分类 1）按软硬程度即耐负荷性能的不同：聚氨酯软泡可分 为普通软泡、超柔软泡沫、高承载型软泡、高回弹泡 沫等。 2）生产工艺可分为：块状泡沫及模塑软泡 块状泡沫：通过连续法生产的大体积泡沫再切割 成所需形状的泡沫制品。 模塑软泡：一 般为间隙法生产，原料直接在模具 中发泡成型，即制成所需形状的泡沫制品。模塑泡沫 按熟化方式分，可分为热熟化和冷熟化软泡。 3）以多元醇原料分： 聚酯型软泡和聚醚型软
11、泡。目前聚氨酯软 泡中有90是用聚醚多元醇生产的，大部分为 通用软泡(块状泡沫为主)和高回弹软泡，还有 一少部分特种软泡，如超柔软泡沫塑料、高承 载泡沫塑料、亲水性软泡、吸音泡沫塑料和过 滤用软泡等。 4）生产方法 一步法和预聚体法 预聚体法（即先由聚醚多元醇和过量的TDI反应，制成 含有游离NCO基的预聚体，后与水、催化剂、稳定剂 等混合制成泡沫），预聚法生产流程长，成本高，仅在 一些特殊产品的生产中采用。 一步法（各物料通过计量直接进入混合头混合，一步制 造泡沫塑料）。目前的普通聚氨酯软泡几乎都是用一步 法生产，依其生产方式之不同，可分为连续式和间歇式 。 块状软质聚氨酯泡沫塑料(简称块状
12、软 泡)是以大体积泡沫形式生产的软质聚氨酯泡沫 塑料。块状软泡的生产方式主要有连续机械发 泡和箱式间隙发泡两种，得到的大块泡沫“半 成品”根据需要切割成型片状或其它形状的制 品。 4.5.2 块状软泡 4.5.2.1 箱式发泡工艺 小规模生产块状软泡通常采用箱式发泡工艺，这 是一种间隙式生产工艺。这种发泡方法是在实验室手 工发泡的基础上发展起来的。 采用箱式发泡法生产软泡的优点主要有：设备投 资少，占地面积小，设备结构简单，操作和维修简单 方便，生产机动灵活。 箱式发泡的工艺参数应控制在一定范围，因为即 使相同的配方，采用不同工艺参数制得的泡沫性能也 一不定相同。 原料温度可控制在（253），
13、搅拌速度900 1000r/min，搅拌时间512s。加TDI之前聚醚及助 剂混合物搅拌时间可根据情况灵活掌握，加TDI之后搅 拌时间为35s即可，关键是加入TDI后必须混合均匀 。 箱式发泡原理示意图 1、原料储罐 2、计量泵组 3、控制柜 4、可升降混合桶 5、发泡箱 6、成品 7、上浮板 箱式发泡示意图 4.5.2.2 连续发泡软泡生产工艺 连续发泡块状软泡的生产可分为几个阶段，即 ：备料、发泡、连续泡沫的切断、熟化及块泡切割加 工。 1、流量的标定 首先是物料的准备和流量的标定。各组分在发 泡时所需的工作流量，通常是以多元醇的流量为计算 基础，根据确定的发泡总流量水平推算出来的，然后 用查图法查出各计量泵所需的工作转速或游标定位值 。 各组分工作流量的计算步骤如下： (1)确定发泡基本配方，即各物料配比。 (2)催化剂配制，根据发泡时胺组分及锡组分以 及其它组分(如色料等)的多元醇稀释比例，计算 出胺组分、锡组分及其它组分的配比，同时在聚 醚多元醇的配比中减去分散在胺、锡等组分中的 稀释用多元醇份数，得到发泡时各实际组分的配 比。 (3)计算出所有发泡组分的总用量(质量份)。 (4)根据确定的发
