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冷熟化模塑主要原料介绍以及冷熟化模塑发泡工艺特点

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发表时间:2018-06-22 10:12来源:聚氨酯制品手册

  热模塑泡沫塑料的制备,生产时间较长,生产装备占地面积较大,能量消耗严重。随着高活性伯羟基聚醚多元醇的成功开发和在模塑泡沫体加工中的应用,开创并发展了冷熟化模塑发泡的新工艺技术。这种新的加工技术仅需要将反应混合液注入模具,无需或仅需少量的加热,即可在很短的时间内完成泡沫体起发、凝胶过程,能在短时间内脱模,生产出合格的制品。这种高效、极低能量消耗、优良性能和低成本运营的新工艺技术显示出取代热模塑技术的趋势。冷模塑泡沫的生产流程与热模塑泡沫体生产大体相同,只是在冷模塑泡沫体的生产中,注入物料的模具无需进入加热烘道等进行加热熟化,只需室温下停放数分钟后,即可脱模,生产出泡沫产品。高回弹泡沫即属于冷熟化模塑发泡工艺。


  冷熟化模塑发泡工艺的最大特点在于高反应活性的原料体系使用上,利用原材料的高反应活性,快速进行放热反应,使物料体系黏度迅速增加,泡沫稳定,迅速凝胶、熟化,在常温下短时间内完成泡沫体的生成。


  高反应活性原料主要是指采用氧化乙烯进行改性封端的聚氧化丙烯醚多元醇。冷熟化模塑泡沫工艺所用的这类高活性聚醚通常伯羟基含量大于65%,三官能度的聚醚多元醇,羟值范围为26~35maKO1/g,分子量范围在4800~6500。


  低分子量化合物,作为体系的扩链剂使用。常用的有丙三醇、三乙醇胺、三羟甲基丙、卤代磷酸酯等。


  冷熟化模塑工艺所用的异氰酸酯原料仍以80/20TDI和MDI为主。为改进加工性能和烷、卤代磷酸酯等泡沫体物性,TDI可以使用氨基甲酸酯或三聚体进行改性,较普遍的作法是80/20TD1与65/35TD或与MDl掺混配合使用。两种TDI掺混改性成为冷模塑泡沫体生产的基础原料之一,发泡工艺稳定,以TDI和MDl掺合使用时,泡沫体的硬度较大,调节两种异氰酸酯的比例,可以改变反应体系的反应活性及性能,TDI比例增加,所生成的泡沫体拉伸强度好,相反,当MDIl比例较高时,则泡沫体的拉伸强度有所下降。对于MDI原料本身来讲,其异构体比例含量不同,也将会对该模塑工艺产生一定影响。如2,4-MDl含量增加时,体系的反应活性下降,当使用4,4-MDI含量较高的MDl体系时,尽管发泡物料的流动性有所下降,但反应速率却加快了,能极大地缩短模制品的脱模时间。


  针对冷熟化模塑发泡工艺原料体系反应活性高,黏度增长快,泡沫膨胀上升具有较高的内在稳定性等特点,配方中,对泡沫稳定剂的要求并不像热模塑工艺那样严格,一般使用分子量较低、非水溶性的聚硅氧烷类泡沫稳定剂即可。常用的品种有L-5307、L-5309、Y-10366(UCC)、B-8026、B-8681(Th.Goldschmidt.AG)、SRX-274C(东丽有机硅公司)等。国内江苏省化工研究所研制的JSY6504性能也较好。


  像一切聚氨酯泡沫体合成一样,对催化剂的选择和使用一直是要十分小心谨慎的。冷熟化模塑工艺生产的发泡体的交联网络的生成速率高于一NCO与水反应的发泡速率,因此,催化剂多使用叔胺类化合物取代热模塑发泡配方中的有机锡类化合物作为凝胶反应催化剂。


  常使用的某些催化剂,如三乙胺、N-甲基吗啉、二月桂酸二丁基锡等,因其易挥发出难闻的气味或在配方中稳定性较差,在该工艺配方中的使用出现逐渐减少的趋势。


  有时为了进一步提高混合物料在复杂模具中的流动性,在配方中还可适当添加一氟三氯甲烷等。


  冷熟化模塑泡沫体的生产与热熟化模塑工艺相类似,热熟化模塑工艺模具需加热至150~250℃的高温,而冷熟化模塑工艺仅需将模具加热至50℃C以下,通常35~40℃C即可,工业生产采用椭圆形循环生产线,见图1。


冷熟化模塑泡沫体生产示意图.png

图1


  在图示1位上,在预热的模具中喷涂脱模剂。常用的脱模剂是溶剂型水系聚硅氧烷脱模剂以及水系低熔点蜡类分散液。在日益重视环境保护的今天,人们已普遍使用水基脱模剂取代溶剂型脱模剂。同时,使用这类脱模剂,在以后制品进一步涂装时便于脱模剂的清洗而使制品涂覆获得良好、均匀的附着能力。但使用水基脱模剂时,其模具温度应在40~60℃范围内,以便使它们迅速挥发、干燥,否则将在制品表面产生某些缺陷。


  在图示2位置处,对模具进行检查、装配,必要时配置金属嵌件。根据工艺要求,由发泡机混合好的浆料在图示3位处浇注至模具中,浇注方式可以采用开模,也可以采用闭模方式,这要根据制品性能而定。通常填充量要大于实际制品重量,使冷熟化模塑泡沫体要比自由发泡体的密度增大约1/4。


  注入物料的模具进入熟化段4中进行泡沫体的熟化阶段。定义中的“冷熟化”仅是与热熟化相对而言的,为使制品能够迅速完成发泡、凝胶历程,使泡沫体尽快达到能脱模的基本性能,根据不同配方,应给予模具适宜的外界温度条件。在早期的冷熟化模制工艺中,一般采用热空气加热方式或热辐射方式,但加热模具温度较低,一般多在50℃左右。现在,随着反应体系的不断改进和提高,已可以实现在室温条件下的、真正的“冷熟化”。


  图示5、6、7位置是进行开模,制品取出,清理等工序,并完成模具进入下一循环前的准备工作。


  Bayer公司的冷模塑生产泡沫体的熟化时间仅为4~8分钟,为获得具有优异性能的泡沫体以及良好的表皮和较高的模具利用率,一般采用冷模具直接加热的方式,使充入模具中的泡沫始终保持在40℃~60℃范围内,模具在生产线上无需冷却。模制品加热设计示意图如图2所示。


模制品加热设计示意图.png

图2


  为使模具具有良好的传热性能,模具通常使用铸铝制造,模具温度一般控制在45℃~55℃。对于使用环氧树脂等材料制备的模具,最佳模具温度应比金属模具低10℃左右,后熟化时间约为4h。


  冷模塑泡沫制品和热模塑生产的泡沫体相比,泡沫体的闭孔率较高,脱模后的泡沫品应使用碾压等方法进行开孔挤压后处理。在工艺上的另一个区别在于使用冷熟化模塑工艺生产的泡沫体与热模塑相比,需要较长时间的后熟化阶段。通常热熟化工艺生产的泡沫体在1~2h内即能达到其最终性能,而冷熟化模塑工艺生产的泡沫体,通常则需要11~12h才能达到其最终性能。


  冷熟化模塑工艺对模具温度转化的幅度小,在正常工作的过程中,模具温度仅控制在25~50℃范围内,对模具传热性质的要求不像热模塑工艺那样苛刻,同时,也不会出现骤热骤冷,频繁的高、低温冲击,因此,该工艺所用模具的材质除使用传统钢、铝等金属材料外,对于试制品和小批量产品的生产,也可采用树脂模具制作。模具能承受0.2~0.6MPa的压力即可。合模线必须严密,物料在模腔中流动要顺畅、合理,对排气设计也需谨慎,不得产生大量泄漏,否则,制品会因降压而产生孔穴等缺陷。这些都与热模塑工艺要求有较大差距。


  冷熟化和热熟化模制工艺的模具尺寸通常可以按制品要求尺寸放大1.5%~2%设计。


  冷熟化模塑泡沫体的发展过程中,由于不断开发和使用新型的原材料,新品种不断发展,应用领域不断扩大。以汽车坐垫等为代表的高回弹性模塑泡沫体产品具备许多独特的优点。


  高回弹泡沫体具有优异的回弹性和更适宜人体乘坐的压缩负荷性能,手感好,透气性高。它与其他泡沫材料回弹性等对比见表1。


泡沫材料回弹性和压缩负荷指数的对比.png

泡沫材料回弹性和压缩负荷指数的对比


  高回弹泡沫体具有较小的能量损失值,很适宜制备汽车坐垫等材料。高回弹泡沫体负载和卸载性能要比普通模塑泡沫体好得多,人体坐下后有较高的舒适感觉,这说明坐垫对车身传递过来的振动有很好的缓冲能力。


  高回弹生产能耗低,模具通常仅要维持在40~60℃即可,仅需少量外界能量也无需模具反复进行冷却。高回弹泡沫体的能量消耗仅为热模塑泡沫体的1/5。生产周期较短,成本和投资较少。


  高回弹泡沫体具有较特殊的分子结构,可燃性降低了,不加阻燃剂或仅加入少量阻燃剂即可达到自熄标准,符合美国制定的机动车辆耐燃级规范。


  高回弹泡沫体与普通泡沫体在原料选择上有较大区别,高回弹模塑泡沫体的制备不仅采用了高活性聚醚,而且大量使用了聚合物多元醇和以芳胺为主的交联剂,以及三聚化改性的TDI和粗MDI。


  汽车用座椅的靠背和坐垫受力状况不同,用途不同,在采用高回弹模塑泡沫制备时,也应选用不同的配方或采用双硬度模塑方法,制备更适合汽车司乘人员安全、舒适要求的双密度坐垫产品。双密度制品的生产,以往是采用二次注射法生产。随着加工装备的进步和原料、催化剂等的发展,已出现双注射头模浇注和两种物料体系快速切换等先进的双硬度制品生产技术,工艺过程如图3所示。


汽车用座椅的靠背生产流程.png

汽车用座椅的靠背生产流程


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