聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑

許曉辰（南京美思德新材料有限公司，江蘇 南京 210047）

1 聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑的結構及作用

1.1 聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑的結構

聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑俗稱“硅油”，又稱聚氨酯勻泡劑、聚氨酯泡沫穩定劑等。目前該類有機硅表面活性劑大多都是聚醚改性的有機硅氧烷結構，基本上以硅碳鍵型有機硅表面活性劑為主，以硅氧碳鍵改性有機硅表面活性劑為輔，其結構如圖1所示[1]。

圖1 聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑的結構

在通式中，m、n 分別代表二甲基硅氧烷和甲基聚醚烷基硅氧烷鏈段的平均數；x、y 分別代表聚醚分子中環氧乙烷和環氧丙烷鏈段的平均數目；R為碳原子數為1～4 的烷烴、酰氧基、芳香基團或氫原子[2]。

1.2 聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑的作用

1.2.1 乳化增容作用

聚氨酯泡沫的主要原料為異氰酸酯、多元醇、催化劑、水、物理發泡劑、有機硅表面活性劑、其他助劑，各種原料間不能夠完全互溶或者互不相溶。在有機硅表面活性劑的結構中，聚醚鏈段親水，而有機硅鏈段疏水，通過這兩段的共同作用，可以將體系中親水性和疏水性相差較大的不同原料形成一種均一的體系。

1.2.2 成核作用

按照經典的成核理論，如下式所示：

低表面張力會減少形成氣泡所需吉布斯自由能(⊿E)，在外界能量(W外)和氣泡半徑（r）一定的條件下，表面張力越低形成的氣泡的數量(A)越多[2]。

有機硅表面活性劑可以有效降低體系表面的張力，形成更多的成核點，從而得到均勻細密的泡孔結構。

1.2.3 穩泡和開孔作用

在發泡初期，水和異氰酸酯反應產生二氧化碳和聚脲，而大量的聚脲能夠在發泡過程中使得泡沫開孔。有機硅表面活性劑可以對聚脲進行溶解，同時還可以將溶解后的聚脲均勻的分布在泡沫基體上，以確保在泡沫骨架形成之前穩定泡沫。不同結構的有機硅表面活性劑對聚脲的溶解性不同，選擇適當品種可以控制聚脲的析出數量，從而控制開孔[3]。

2 聚氨酯泡沫用有機硅表面活性劑在聚氨酯泡沫中的應用

2.1 在普通軟質聚氨酯泡沫中的應用

普通軟質聚氨酯泡沫屬于開孔型泡沫，主要用于家私綿（制做床墊、沙發墊和椅墊等）以及工業復合綿（制做汽車內飾，鞋材的鞋幫、帽子和箱包等的襯里），部分產品有阻燃性要求，制品的密度范圍很廣。

在普通軟質聚氨酯泡沫發泡過程中泡沫不能出現開裂、塌泡或者閉氣、收縮等情況，最終泡沫的泡孔必須分布均勻。

因此用于普通軟質聚氨酯泡沫的有機硅表面活性劑需要具備很強的穩泡性能，防止塌泡；在發泡后期能夠適當開孔，避免泡沫收縮。

對于低密度（8～15kg∕m3）而言，因為配方中水用量多，需要選擇高活性的有機硅表面活性劑，這類產品的穩泡性能強，對聚脲的溶解性很強，可以有效避免出現泡沫開裂情況；反之對于中高密度（25～55kg∕m3）則需要選擇中低活性的有機硅表面活性劑，防止因穩泡性能過強導致泡沫過度閉氣而收縮。

阻燃型有機硅表面活性劑可以使阻燃劑在泡沫中均勻分散，提高阻燃劑的使用效率，已在阻燃型軟質聚氨酯泡沫中廣泛使用。

2.2 在硬質聚氨酯泡沫中的應用

硬質聚氨酯泡沫屬于閉孔型泡沫，主要用于噴涂（建筑外墻保溫、屋面防水、冷庫保冷、儲罐保溫等）、板材（建筑外墻保溫、冷藏車、活動板房等）、家電（冰箱冰柜、熱水器等）、仿木（家具、鏡框、線條裝飾板等）、管道（輸油輸氣管道保溫等）、汽車（汽車頂棚等）等方面，應用范圍極其廣泛。

其中在家電和板材應用領域，對泡沫的導熱系數及表面性能有很高的要求。

在強成核性能和強穩泡性能的共同作用下，有機硅表面活性劑可以提高硬質聚氨酯泡沫的閉孔率，使得泡孔更加細密，從而降低導熱系數。

采用穩泡性能和乳化性能均衡的有機硅表面活性劑，配合適宜的多元醇，可以減少泡沫的表面缺陷，改善泡沫的表面性能。

另外，不同種類的發泡劑需要選擇不同乳化性能的有機硅表面活性劑來增強其在組合白料中的溶解性，保證組合白料體系的穩定。

2.3 在高回彈聚氨酯泡沫中的應用

高回彈聚氨酯泡沫主要用于交通工具墊材（汽車、飛機、摩托車、高鐵等座椅坐墊、靠背、頭枕）以及家用墊材（沙發、床墊、家具用墊材等）。

高回彈聚氨酯泡沫的回彈性好，舒適性好，泡孔均勻，滿足環保要求（低VOC、低FOG）。

針對不同的應用，高回彈聚氨酯泡沫的配方體系按照異氰酸酯類型可分為全TDI體系，T∕M體系，全改性MDI體系等。

全TDI 體系的穩定性差，發泡過程中易塌泡，需要選擇穩泡型有機硅表面活性劑；全改性MDI 體系的穩定性好，發泡容易閉孔，需要選擇開孔型有機硅表面活性劑；T∕M體系根據TDI和MDI的不同比例，選擇穩泡型和開孔型兩款有機硅表面活性劑搭配使用，在穩定泡沫的基礎上實現開孔，同時滿足泡孔均勻和泡沫舒適性。

用于高回彈聚氨酯泡沫的有機硅表面活性劑分子量比較小，易揮發，從而造成VOC值升高。通過重新選擇原材料，結構調整，提高有機硅活性劑的耐遷移能力，開發低VOC、低FOG的有機硅表面活性劑，降低對泡沫的VOC和FOG的影響。

3 結語

綜上所述，聚氨酯泡沫應用范圍極其廣泛，而有機硅表面活性劑是聚氨酯泡沫生產中是不可或缺的添加原料之一，且種類豐富、分類精細，在滿足各種市場需求的前提下，為聚氨酯泡沫性能的改善帶來更高的附加值，有著較強的應用意義和社會價值。而在普通軟質聚氨酯泡沫、硬質聚氨酯泡沫以及高回彈聚氨酯泡沫對有機硅表面活性劑選擇上，還有著很多的應用要點，需要進一步深入研究。