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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，配方其余组分则一般表示为“份100
2、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 30TDI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） 0.3CFC-11 10TDI指数 107TDI 80/20 40.9密度，kg/m3 28,性能：密度， kg/m3 28.2压陷硬度，65,N 120 25%,N 4
3、5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，Q为多元
4、醇的羟值，M和f分别表示多元醇的分子量和平均官能度，174.1和2分别是TDI的分子量和官能度，NCO%和42分别是异氰酸酯中的NCO质量分数(可稍有差异)和NCO的摩尔质量。若采用PAPI，则可异氰酸酯的NCO%质量分数为0.30左右)，进行各项计算。,计算式为：,(2)计算每份水所需消耗异氰酸酯的用量M2T (118.02)174.19.67M2M (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
5、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TDI或PAPI等的用量。一些常见的活性氢组分每质量份所需消耗的TDI用量见下表。,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
6、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
7、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.
8、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、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
9、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）
10、，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
11、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），搅拌速度9001000r/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
12、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)根据确定的发泡机每分钟总流量与上述总
13、用量的比值，计算各组分的扩大系数；以扩大系数乘以各组分的配比份数，即得到各组分每分钟所得的流量。,块泡工艺示意图,2、发泡过程 反应物料经计量泵计量后进入混合头中混合。开始操作发泡机时，通常在很短的时间依次加入聚醚多元醇、发泡剂、匀泡剂和催化剂，最后加入TDI。 位置基本固定的混合头将反应物料浇注在运行着的传送带上，在传送带上出现三个反应区段。,清浆区：开始的第一段(区)料液基本透明，此时刚开始反应尚未有气体析出，称为清浆区。乳白区：在离浇注口一段距离时发泡反应开始，混合物略有膨胀料液发白，此为第二段(区)，为乳白区。上升区：经过一定时间后，发泡反应明显加快，形成泡沫体，泡沫高度不断升高，这时
14、到了第三段(区)，称为上升区。,发泡所需的全部时间因原料和配方而异。一般来说，在区的时间为512s，上升时间(起发到最大高度的时间)一般为60130s。在混合物料注射后5min左右，泡沫可达足够的强度，以供切割成大块。,3、熟化及切割（1）熟化与贮存 泡沫材料的导热性差，大块泡沫体中间热量积聚，可达到较高温度，有烧芯甚至自燃的危险，因此，在泡沫熟化贮存区内，必须考虑泡沫块的堆放方式、通风和防火装置。（2）切割 泡沫从输送带下来，首先必须切割成一定大小的大块泡，以便于贮放。除了用锋利刀具，还可将钢丝加热后切割软质泡沫塑料。,块泡的储存,5.4.2.3连续法块泡生产设备,1、基本发泡设备 连续法块
15、泡生产线设备一般包括：各组分贮罐及配料罐，各组分计量系统，混合头及混合头支架系统，模纸(底纸及侧纸，如采用压板法平顶工艺，还配有顶纸)供料系统，块泡输送系统，模纸收卷系统，块泡切断机械，抽风排气系统，控制面板，块泡输送系统，块泡熟化系统。,Hennecke 连续PU软泡（块泡）生产线,1，3-paper system 2，Mixture dispensing plate3，Stationary stirrer mixer4，Calibration device 5，Fall-plate system 6，Flat topper 7，Curing section,1、3-paper system
16、 2、Mixture dispensing plate3、Stationary stirer mixer4、Calibration device 5、Flat-topper 6、Curing section 7、Metering system,UBT systems are conventional production lines that have all the advantages of field-tested Hennecke technology.,Conventional Plants,目前存在两大类型的工艺设备，一是矩形载面的平顶水平发泡工艺，二是生产矩形或圆柱形泡沫体的垂直
17、发泡工艺。2、水平平顶发泡设备 上升泡沫的阻力，从而造成泡沫顶中部高、两侧低，泡沫截面上部为圆拱形，表皮和底皮较厚。后来开发的平顶发泡工艺，其基本工艺原理是克服或补偿发泡过程中，侧边对泡沫上升的阻滞作用。,普通块泡工艺,(1) 边膜提升法(Petzetakis/Draka法) 最早的平顶发泡工艺是20世纪60年代开发的Petzetakis/Draka法，即边膜提升法。该方法在原始水平发泡机基础上增加了向上牵引侧纸装置，使泡沫边缘与中部同步上涨发泡，从而制得接近平顶的泡沫块。但不同发泡阶段泡沫上涨速度不一样，因此对侧纸提升装置的控制要求较高。泡沫块有较厚的上皮层和底皮层。目前只有较少的工厂采用。
18、,边膜提升法,1、内衬纸2、模腔侧壁3、发泡料液4、衬纸上移5、最终泡沫,(2)平衡压板法(Hennecke/Planibloc法) 平衡压板法是Hennecke 公司和Planibloc公司在20世纪70年代开发出来的连续法块状泡沫生产方法。其特点是采用了顶纸和顶部盖板。在泡沫乳化起发阶段，通过覆在泡沫表面的顶纸，用平衡压板将刚刚起发的泡沫向发泡机两侧挤压。使在顶两边纸槽隙间的泡沫多于传送带中，以此补偿边纸对泡沫发泡的阻滞，得到矩形截面顶皮较薄的泡沫体。平衡压板法发泡仅适用于聚醚型块状软泡的生产，如果停用平衡压板及顶纸系统，可当作传送带式发泡机使用，可用于生产聚酯型聚氨酯软泡。,Hennec
19、ke-Planiblock 法,1、混合头 2、输送带 3、顶纸输送轴4、逆向平衡压板 5、排气管 6、顶纸剥离回辊7、泡沫体,Hennecke 平顶发泡工艺示意图,1、底纸辊 2，6、导辊 3、混合头 4、喇叭式出料口5、顶纸辊 7、平衡压板 8、刺轮 9、导辊 10、顶纸回收辊 11、泡沫体,1、3-paper system 2、Mixture dispensing plate3、Stirrer mixer4、Calibration device 5、Fall-plate system (steplessly variable) 6、Flat-topper 7、Curing section
20、 8、Metering system,QFM systems use UBT technology in combination with a through/fall-plate system and therefore represent the most economical form of slabstock production.,Hennecke-Planiblock 法,3)溢流槽法(Maxfoam法),溢流槽法(Maxfoam法),溢流槽法(Maxfoam法) 工艺是1970年由挪威莱德贝格公司首先开发出来的一种软块泡工艺。它突破了传统发泡工艺由下向上升起的发泡原理，特点是采用
21、溢流槽和传送带降落板。反应物料经混合后由溢流槽底部进入溢流槽，开始起泡乳化的泡沫料液从溢流槽上口溢流至传送带降落板上，通过调节降落板向下倾斜一定的角度，实现由上向下发泡。由于不需克服自下向上发泡时泡沫自重的影响，因此得到平顶泡沫，并且块泡底皮较薄，整体密度也较低。该工艺目前被许多厂家广泛采用。,在溢流槽发泡机中，由溢流槽流出到传送带上的是已经乳化发白的泡沫料。溢流槽上宽下窄，具有倒梯形截面，常用容积为60100L,溢流槽上部宽度与泡沫块一致。应根据所需生产的泡沫密度及发泡机的总流量水平，选用大小合适的溢流槽，控制料液在溢流槽内的停留时间，使从溢流槽出来的泡沫具有良好的流动性。通常合适的溢流槽停
22、留时间为1823s。,(4)降落板法(Top foam法) 降落板法(Top foam法)是应用向下发泡原理的又一种工艺方法。物料自混合头混合之后，浇注在降落板上的纸模中并开始发泡，通过降落板角度的调整，达到泡沫由上而下的发泡，从而实现泡沫块料的平顶化。较大的气泡能容易地向表面逸出，泡沫内裹夹的气泡的情况可有较大的改善。,Pintomax 法,1、发泡机混合头连接管 2、发泡槽 3、倾斜板 4、顶纸输送辊5、底纸输送辊 6、逆向平衡压板 7、输送带 8、顶纸回收辊,MultiFlex systems incorporate all the advantages that Henneckes QFM systems offer , but at a medium price level. MultiFlex systems are suitable for making ether based slabstock.,1、3-paper system 2、Mixture dispensing plate3、Stationary stirrer mixer4、Calibration device 5、Fall-plate system 6、Flat-topper 7、Curing section,MultiFlex plants,The END,BYEBYE,
