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全水发泡技术能取代氯氟烃的优点以及全水发泡技术存在的缺点

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发表时间:2018-05-19 16:17来源:聚氨酯制品手册

  全水发泡技术利用水和异氰酸酯反应生成的二氧化碳气体作发泡剂,是聚氨酯泡沫制备过程中最初使用的发泡技术。水也是聚氨酯泡沫体合成中最廉价、最方便的化学反应型发泡剂,并一直在聚氨酯泡沫体制中占据着及其重要的位置。但其用量不可过大,存在着一定的缺点,在需要制备低密度泡沫体等性能要求的制品时,必须辅以物理发泡剂。它主要存在下列缺点。


  1.使用水发泡,体系粘度较大,物料的流动性较差。


  2.二氧化碳的气相热导率大大大高于CFC-11(一氟三氯甲烷)的气相热导率,使用水发泡形成的泡沫体热导率要比CFC-11高得多。同时,二氧化碳的渗透能力强,它与空气交换的速度较快,易造成泡沫体浓缩,尺寸稳定差,绝热性下降。全水发泡体系生成的泡沫体,在60℃下老化30d后,其热导率为0.25mW/(m·K),而使用CFC-11制备的泡沫体在同等条件下的热导率为0.18mW/(m·K)。


  3.使用水发泡,由于大量脲基等刚性基团的生成,使得泡孔结构粗大,手感差。


  4.高水量发泡配方,将会产生大量反应放热,且放热持续时间长,容易造成泡沫体“焦烧”和自硫。


  5.发泡工艺的稳定性较差,泡沫体的弹性、强度和粘接性能等都不能完全令人满意。因此,在聚氨酯工业的发展中,逐渐使用了CFC-11等物理发泡剂作为辅助发泡剂,才使聚氨酯泡沫体在性能方面得以较大提高,在产量上获得快速增长,并在CFC-11发泡剂的基础上开发出自结皮型泡沫制品等新产品。


  随着蒙特利尔协议书的贯彻、实施,在CFC-11被全面禁用的情况下,人们对最简单、最古老、最廉价的水发泡技术进行了大量研究,全水发泡技术做了较大的改进,其措施主要有如下几点。


  1.配方中,增加使用新型软化剂,降低因水发泡产生泡沫体硬度增加的倾向。


  2.在高水量配方中,采用降低异氰酸酯指数的办法,以改善泡沫体硬化、物性下降及泡沫体发热量过高产生烧芯等问题。


  3.提高模具温度进行发泡操作。


  4.采用快速熟化装备生产密度较低的聚氨酯软质泡沫体。


  多元醇类泡沫软化剂研究者利用富氧化乙烯(EO)聚醚多元醇具有强亲水性、增大聚脲硬链段溶解度的特性,作为全水发泡技术所需要的泡沫软化剂。在普通多元醇聚合物中混入少量该类软化剂型聚醚多元醇,可以代替10份CFC-11,起到软化泡沫、提高产品弹性的作用,但该类泡沫软化剂用量不宜过高,一般不超过10份,否则工艺不容易稳定。


  日本介绍了一种名为XOF-1749的多元醇型泡沫软化剂,用于TDI基块状软泡和模塑软泡的全水发泡工艺。它与普通多元醇混合使用,不仅可以替代8份CFC-11,而且,根据结构分析发现,使用该种泡沫软化剂后,泡沫体的聚脲结晶少,相分离程度下降,泡沫体性能良好。


  有一种专利产品——软化剂DP-1022,。该软化剂可用于TDI基各种等级、无CFC-11软质泡沫塑料的制备,使配方具有较宽的锡类催化剂用量范围,有良好的加工性,制备的泡沫体具有良好的开孔率和较高的透气性。即使在降低异氰酸酯指数的情况下,也能制备出低压陷硬度的优质软泡沫体。在配方水用量为3.3~6.0份范围内,ILD值(压陷载荷变形)变化幅度较小。异氰酸酯指数在0.95~1.1范围内,对泡沫体压缩永久变形的影响很小,尤其是在100%~105%范围内压缩永久变形更低。水加入量大,泡沫体密度低,泡沫体硬度也随之下降,但异氰酸酯指数对泡沫体硬度有较明显的影响。当异氰酸酯指数为0.95时。泡沫体的25%压陷硬度仪为指数为1.00的普通泡沫的一半。


  用于TDI基块状软质泡沫体全水发泡生产中的软化剂,可采用Ortegol310。该软化剂与CFC-11、二氯甲烷等物理发泡剂不同,它能参与发泡反应,并能软化泡沫体,降低其硬度。但使用它时要注意以下几点。


  1.当和TDI反应是,它对反应生成的取代脲结构有轻微的破坏力。因此,应在配方中添加少量的阻燃剂,以抵消这种破坏作用。


  2.改软化剂含有50%的水,因此在配方计算中将次部分水分考虑在内。


  3.加入Ortegol310软化剂能提高泡沫体的开孔率,同时,也增加了泡沫形成过程中的不稳定因素。因此,在配方中必须将聚硅氧烷表面活性剂用量提高约50%。


  4.添加该种软化剂,会使加工条件范围变窄,操作不容易掌握,有时会引起泡沫破裂和塌泡。因此,建议Ortegol310的用量≤1质量份。此量可替代7.6质量份的CFC-11.


  美国奥斯佳公司推出了GM201和GM205泡沫软化剂,用于低异氰酸酯指数(0.85)的全水发泡技术可以生产出物性与普通泡沫相似的泡沫体,对泡体变色和烧芯以及压缩永久变形性能有一定改善作用。开发出Geolite210全水发泡用泡沫软化剂,在全水发泡工艺中,异氰酸酯指数下降至0.85,能减少90%以上CFC-11发泡剂的用量。


  在聚氨酯泡沫体的制备中,添加少量硅酸钠,可以对全水发泡制备的软质泡沫体产生一定的软化作用。硅酸钠对泡沫体中聚脲结构转化为缩二脲的反应有催化作用,极大地削弱了结晶聚脲的聚集,使其相分离程度减弱,从而起到泡沫软化的目的。例如在TDI热模塑泡沫配方中加入0.15份硅酸钠,即可取代10~12份CFC-11发泡剂,并能达到与之相应的性能,40%ILD值表示的泡沫体硬度可降低至1.8kPa;如TDI和2,4-MDI混合使用,硅酸钠的用量可提高至0.35份,可以达到取代15份CFC-11效果的泡沫硬度。


  特种聚醚多元醇在全水发泡技术中,虽然由于引入了泡沫软化剂,克服了水量高、产生泡沫,过热易产生烧芯的难题,但在低异氰酸酯指数的条件下,将会泡沫体交联网络不足、泡沫体物性下降,制备高密度超柔软性泡沫产品困难。针对这种新问题,许多公司成功地开发全水发泡用新型聚醚多元醇。利用这类新型聚醚多元醇生产出无氟、高密度、超软质、高网络强度的泡沫体。


  使用全水发泡技术在取代氯氟烃(CFCs)工作中显示出很多优点,在世纪生产中也已获得了较好的评价,显示出良好的发展前景。但目前仍存在着某些缺点,如添加软化剂后,会对泡沫体结构产生一定影响,必须相应添加某些阻燃剂、增加聚硅氧烷表面活性剂用量;需重新调整催化剂用量,对催化剂的加工容量范围变窄;全水发泡将会相应增加价格较贵的异氰酸酯用量,使产品成本增加;此外,使用全水发泡技术制得的泡沫体,其绝热性能下降等。目前,全水发泡技术主要应用于非绝热性材料如家具用软泡、模塑软泡以及包装、填充、漂浮和结构泡沫产品中。


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