管道清管器用聚氨酯泡沫塑料的制備

孫 達，王秋龍，劉 賀，馬鳳國，劉春霞

（青島科技大學，山東青島266042)

管道輸送是目前我國運輸資源能源的最主要方式，其有著分布廣、線路長、布局復雜等特點[1]。但在長期使用過程中在管道的內壁上會沉積形成污垢[2]，如在輸油管道的內壁會形成油垢或積蠟，在工業的輸氣管道中也會形成結焦積碳等污垢，這些污垢沉積在管道中大大增加了流體在輸送過程中的阻力，不僅降低了管道的傳輸效率而且增加了動力消耗[3]。污垢還會對管道材料造成腐蝕和損害[4]，嚴重時會使管道破裂，造成輸送流體外泄，甚至造成停產，為工業生產帶來嚴重的損失和安全性的隱患[5]。因此對管道進行定期的清理至關重要，管道的清理可根據不同的結垢情況選取不同的清理方式，如物理超聲進行剝離清除[6]，使用酸或堿的水溶液進行管線比例循環清洗等，但在初期的結垢中使用清管器進行清理是最經濟和實用的。

泡沫清管器是六大系列清管器在實際應用中的一種，具有密封性好、質量輕且柔軟、價格低、用途廣等優點，并且能適用于特殊作業環境[7-8]。本文利用水作為綠色環保發泡劑，采用預聚體法制備了一種在性能要求上符合泡沫清管器的聚氨酯泡沫制品，并主要探究了物料溫度、模具溫度對發泡過程的影響以及探究了不同聚醚多元醇與聚酯多元醇的配合以及泡沫穩定劑用量對泡沫制品的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

聚酯多元醇POL-56T（Mn= 2000g/mol），青島九盛化工科技有限公司；聚醚多元醇EP-330N（Mn= 3000g/mol），聚醚多元醇EP-303N（Mn= 350g/mol），青島九盛化工科技有限公司；甲苯-2,4-二異氰酸酯(TDI-80)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；催化劑A-11、A-30,辛酸亞錫，分析純，青島九盛化工科技有限公司；軟泡硅油，工業級，青島九盛化工科技有限公司；1,4-丁二醇（BDO），分析醇，國藥集團化學試劑有限公司；三羥甲基丙烷(TMP)，工業級，青島九盛化工科技有限公司。

1.2 測試方法

表觀密度按照GB/T 6343-1986進行測定；預聚體粘度測試按照GB 2794-81《膠粘劑黏度測定方法（旋轉黏度計法）》進行測定；按照GB/T 6344-1986《軟泡拉伸強度和斷裂伸長率的測定》對泡沫樣品進行拉伸強度的測定；按照GB/T 6670-1986《軟質泡沫聚合材料落球回彈性能的測定》進行泡沫回彈性的測定。泡孔開孔率的測定按照GB/T 10799-2008《硬質泡沫塑料閉孔和開孔體積百分率的測定》進行。

1.3 模具設計[9]

根據不同工業要求，聚氨酯泡沫清管器的外形可以有多種形式，設計原則為保證清管器在管道中能夠完全充滿管道，以便采用壓力驅動的形式在管道中運行，設計時考慮清管器的尺寸過盈量，當過盈量在0.03～0.05之間時，既能保證清管器的使用效率又能提高清管器的使用壽命[8]。本文研究實驗主要設計了4吋炮彈狀清管器模具，如圖1所示。

圖1 泡沫清管器模具模型圖Fig.1 The mould model diagram of foam pig

1.4 實驗過程

1.4.1 實驗配方

表1 聚氨酯泡沫制品各組分基礎配方Table 1 Basic formula of each component of polyurethane foam products

1.4.2 泡沫制品的制備

（1）將一定質量的多元醇放入三口燒瓶中，在恒溫油浴120℃和氮氣吹掃的環境下對其進行加熱除水處理；待穩定在某一特定溫度時一次性加入TDI，保持溫度恒定及氮氣吹掃，反應約2h，即得到異氰酸根封端預聚體。

（2）保持預聚體的溫度為預設溫度，將泡沫穩定劑、擴鏈劑、交聯劑、催化劑和水先后加入到預聚體中，高速攪拌，待體系發白時迅速將物料傾倒入設計制造好的模具中，然后放入烘箱，設定既定溫度熟化5～6 h，待溫度降至室溫后即得到泡沫成品，室溫下熟化幾天后進行性能測試。

2 結果與討論

2.1 溫度對泡沫制品的影響

要得到外觀良好、性能優異的聚氨酯泡沫，應該做好發氣反應和凝膠反應的平衡，而反應的進行受到溫度的影響大，無論是物料溫度還是模具溫度，對反應過程和最終成品性能都有著不同的影響。

2.1.1 物料溫度對發泡過程的影響

物料溫度會對聚氨酯泡沫制備過程有影響，主要考慮的是溫度對發泡反應速率的影響，另一方面溫度的降低會使預聚體的粘度增大，影響發泡繼而產生不同程度外觀的泡沫制品。

由圖2可知，隨著物料溫度的上升，乳白時間、起發時間和凝膠時間都出現下降。這是因為化學反應本是不斷地分子間的碰撞，分子運動受限時，化學反應速率較低。所以在溫度升高時，分子間碰撞機率和速率增加，使反應加快，同時也有利于其他助劑的分散；另一方面溫度較低時而導致的預聚體粘度增大，也會限制分子運動能力，繼而兩者使得即相應的乳白、起發、凝膠時間下降。由表2可知，通過對比泡沫制品的外觀發現，物料溫度在45～55 ℃時，泡沫制品外觀良好，在溫度相對較高時，泡沫會出現局部的收縮，這可能是因為在溫度較高時，凝膠反應要比發泡反應速度快，造成泡沫的閉孔結構比開孔結構多而產生收縮[9]。

圖2 物料溫度對反應時間的影響Fig.2 The effect of material temperature on reaction time

表2 物料溫度對泡沫外觀的影響Table 2 The influence of material temperature on foam appearance

2.1.2 模具溫度對泡沫制品拉伸強度的影響

除物料溫度對反應速度的影響外，模具溫度對泡沫的力學性能也有一定的影響，如圖3所示，隨著模具溫度的上升，泡沫的拉伸強度先上升后下降，當溫度在45℃時拉伸強度最高到0.99MPa。這可能是因為在較低溫度段內，隨著模具溫度的提升，發氣反應和凝膠反應更加趨于平衡，泡沫制品的孔棱好，強度大使得泡沫的拉伸強度會逐漸增大；而隨模具溫度的升高，泡孔平均直徑增大，溫度越高，導致氣泡長大、遷移、定型的時間越長，且容易并泡形成大泡孔，泡孔作為應力集中的地方，即易成為外力破壞的突破口[10]，所以泡沫的拉伸強度會逐漸降低。

圖3 模具溫度對泡沫拉伸強度的影響Fig.3 The eff ect of mould temperature on the tensile strength of foam

2.2 不同聚醚多元醇與聚酯多元醇復配對泡沫制品的性能影響

如表3、圖4和圖5所示，隨著聚醚多元醇添加量比例的增大，預聚體粘度和泡沫密度總體呈現降低的趨勢。對于預聚體來講，聚醚多元醇本身粘度比聚酯多元醇的低，加入聚醚起到“增塑劑作用”，從而降低預聚體粘度；EP-330N的加入相比較EP303N使粘度下降得更多，是因為EP-330N的分子鏈較EP303N長，合成得到的預聚體中軟段部分多，鏈段的活動性大，所以使得預聚體粘度下降的更明顯；對于泡沫密度來說，相同比例聚醚加入量下，添加EP303N得到的泡沫制品密度比EP330N大，可能是因為EP303N分子量低分子鏈短，使得合成預聚體一定程度交聯度高，硬段部分的占有比例大，從而導致密度較大，另一方面EP303N預聚體粘度大導致發泡過程中氣體上升困難，泡孔孔徑小，從而增大密度。

表3 不同聚醚多元醇與POL-56T配合使用對泡沫制品的性能影響Table 3 The influence of different polyether polyols working with POL-56T on the performance of foam products

圖4 不同多元醇及配合比例對預聚體粘度的影響Fig. 4 The influence of different polyols and mixing ratios on the viscosity of the prepolymer

圖5 不同多元醇及配合比例對泡沫制品密度的影響Fig. 5 The influence of different polyols and mixing ratios on the density of foam products

由圖6和圖7可知，隨著聚醚多元醇加入比例增大，泡沫的拉伸強度整體呈現先增大后減小的趨勢，回彈率呈現增大的趨勢；POL-56T/EP330N體系的拉伸強度整體稍低于POL-56T/EP303N體系但相差不大，而回彈性卻好于后者。對于拉伸強度這是因為聚醚EP303N較EP330N的分子量低，分子鏈短使得體系中的交聯程度提高，分子鏈抵抗外力作用的能力增強，故EP303N配合得到泡沫的拉伸強度略好于EP330N體系。同時也是因為EP303N配合體系的交聯度高，并且分子鏈間氫鍵多，分子鏈運動受限制，聚合物更傾向于剛性方向，所以回彈性較低；另一方面EP330N的分子鏈長，軟段部分較多，分子鏈更為柔順，當聚合物受到外力時，分子鏈可以更好地運動恢復，繼而回彈性好。整體比較，POL-56T/EP330N配合體系較POL-56T/EP303N體系較好。

圖6 不同多元醇及配合比例對泡沫制品拉伸強度的影響Fig.6 The influence of different polyols and mixing ratios on the tensile strength of foam products

圖7 不同多元醇及配合比例對泡沫制品回彈性影響Fig. 7 The influence of different polyols and mixing ratios on the resilience of foam products

2.3 泡沫穩定劑對聚氨酯泡沫性能的影響

本組實驗是在控制其他用量不變的情況下，考察泡沫穩定劑即軟泡硅油的用量對泡沫制品的泡孔孔徑、開孔率的影響,結果如圖8所示。

圖8 泡沫穩定劑對泡沫開孔率和孔徑大小的影響Fig.8 The effect of foam stabilizer on the opening rate and pore size

由圖8可知，隨著體系中泡沫穩定劑量的增加，泡沫的開孔率先增大后減小，同時泡孔孔徑呈現先減小后增大的趨勢。當軟泡硅油的用量在0.2～1.5 pbw時，泡孔開孔率不斷上升，從28%提高到了68%，這是因為在泡沫穩定劑含量少時，軟泡硅油的增加，能夠降低液膜的表面張力，反應生成的二氧化碳能夠沖破泡孔壁，而不會發生塌泡，從而使開孔率得到很大的提升。但是在1.5pbw以上時泡孔的開孔率在逐漸下降，因為泡沫穩定劑過多的情況下泡孔膜壁彈性很好，過于牢固，氣體不容易沖破膜壁造成泡沫閉孔率増加。

當泡沫穩定劑含量過低時，液膜表面活性劑數量就會很少，不足以支持泡孔形成穩定的表面膜，并且在發泡的過程中泡孔的液膜會迅速變薄，所以在開孔時液膜會大量的破裂，泡孔支柱強度不足以支撐泡孔的長大，導致并泡和塌泡現象的發生，如圖9（a）所示。隨著泡沫穩定劑的增加，分散在液膜表面的活性劑能夠滿足在泡孔液膜表面形成穩定的表面膜，此時泡孔支柱能夠支撐整個泡沫的生長，泡孔結構比較均勻致密，如圖9（ b）所示。伴隨著泡沫穩定的的進一步增加，過多的勻泡劑使得表面液膜更加牢固穩定，氣泡難以沖破孔壁，造成泡孔閉孔率上升，致使泡孔變小，甚至會出現泡孔收縮的現象，如圖9（c）所示。

圖9 不同硅油用量下的泡孔結構Fig. 9 Cell structure under different amounts of silicone oil

3 結論

（1）當物料溫度和模具溫度分別控制在50～55 ℃、45～50 ℃時，發氣反應與凝膠反應趨于更加平衡，泡沫制品會有好的整體外觀和拉伸機械強度。

（2）POL-56T/EP330N多元醇配合體系整體較POL-56T/EP303N體系好，預聚體粘度便于操作，回彈性高，當POL-56T/EP330N的配比在80/20時，泡沫密度、拉伸強度大以及泡沫回彈性都較好。

（3）泡沫穩定劑在1.5～2 pbw時，泡沫制品的泡孔結構好，開孔率高，利于泡沫的整體性能。