硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡工藝研究

作者簡介：閆紅英（1977—），女，碩士研究生，工程師，研究方向為復合材料。

摘要：在結構復雜、表面凹凸起伏較大、異型零部組件較多的復合材料產品表面制作硬質聚氨酯泡沫絕熱防護層時，噴涂發泡工藝與澆注模塑成型的泡沫塊熟化、切割和粘接工藝相比，具有生產周期短，泡沫損失率低，生產成本和勞動強度低等優點，且形成的泡沫整體性好，一致性高，無縫隙。提出了硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡時物料之間的配比，通過工藝試驗對發泡劑用量、環境溫度和環境濕度對泡沫性能的影響進行了驗證，試驗結果表明發泡劑質量配比為35g，環境溫度不大于70%，環境溫度為15～35℃時，制備的泡沫性能優良。

關鍵詞：聚氨酯泡沫" 噴涂" 環境濕度" 環境溫度

中圖分類號：TQ328.3

Abstract： When an adiabatic protective layer of rigid polyurethane foam is made on the surface of composite products with complex structures， large surface concave and convex fluctuations and many special-shaped parts， compared with the curing， cutting and bonding process of foam blocks moulded by casting and molding， the spraying and foaming process has the advantages of the short production cycle， low foam loss rate and low production cost and labor intensity， and the formed foam has good integrity， high consistency and no gap. The ratio of materials during the spraying and foaming of rigid polyurethane foam is put forward， and the effect of foaming agent dosage， ambient temperature and ambient humidity on foam properties is verified through process tests. The test results show that the prepared foam has excellent properties when the mass ratio of foaming agent is 35g， the ambient temperature is not more than 70%， and the ambient temperature is （15～35）℃.

Key Words： Polyurethane foam; Spraying; Ambient humidity; Ambient temperature

硬質聚氨酯泡沫塑料是在一定負荷狀態下不發生明顯形變，當負荷過大發生形變后不能恢復到初始狀態的泡沫塑料，是以異氰酸酯和聚醚為主要原料，在發泡劑、催化劑、穩定劑、阻燃劑等多種主機作用下，經過專用設備混合，經高壓噴涂現場發泡而成的高分子聚合物，具有優良的物理機械性能、聲學性能、電學性能、化學性能和熱導率較低，是優質的絕熱保溫材料，在航天領域常用于產品的絕熱防護層[1-3]。硬質聚氨酯泡沫成型方法主要有：塊狀發泡、噴涂發泡、澆注模塑成型、整皮發泡、沫狀發泡和冷熟化。目前，最常用的成型方法是澆注模塑成型和噴涂。澆注模塑成型是把原料按比例混合并注入模具，反應物料要充分混合，在物料達到乳白狀態前注入模具中，固化后打開模具，取出泡沫塊[4-6]。通常，泡沫塊最少要熟化一周才能進行切割。在結構復雜、表面凹凸起伏較大、異型零部組件較多的大型復合材料產品表面制作硬質聚氨酯硬質泡沫絕熱防護層，采用澆注模塑成型工藝，首先要將制備的塊狀泡沫制品加工成為需要的形狀，生產周期長，泡沫損失率高，生產成本也高；其次，加工的泡沫制品要進行粘接，粘接工藝復雜，粘接后留下的空腔較多，修補費時費力，同時影響泡沫絕熱層結構的整體性，噴涂工藝可以有效克服上述缺點[7-8]。采用噴涂工藝在復合材料產品表面制作的硬質聚氨酯硬質泡沫絕熱層要求密度低、導熱系數小，同時具有一定的機械強度，在現場噴涂的過程中，泡沫材料的性能易受發泡劑用量、環境溫度和濕度的影響，本文針對影響因素開展工藝研究。

1 實驗

1.1 原材料

聚醚多元醇ED750，工業級；聚醚多元醇4113G，工業級，上海佳化化學股份有限公司；33%三乙烯二胺溶液，工業級；二月桂酸二丁基錫，工業級，常州凱瑞化學科技有限公司；有機硅表面活性劑M8805，工業級，江蘇美思德化學股份有限公司；1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b），工業級，常熟三愛富氟化工有限公司；亞甲基多苯基異氰酸酯（PM200），工業級，萬華化學集團股份有限公司。

1.2 配比

經過大量的工藝試驗和泡沫性能測試，當各原材料之間達到表1配比時，噴涂工藝及泡沫性能滿足復合材料絕熱層的要求。

1.3 試驗過程

將聚醚多元醇ED750、聚醚多元醇4113G、33%三乙烯二胺溶液、二月桂酸二丁基錫、有機硅表面活性劑M8805和1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b）按照表1配比分別稱量后，放置于配料釜中，在室溫下攪拌1.5h，然后打開配料釜油浴加熱系統，溫度設定為（55±5）℃，加熱攪拌1～2h，當物料溫度被加熱至50～60℃，關掉攪拌，配制成簡稱的白料，保溫待用；將發泡機的第一提料泵插入裝白料的料罐中，第二提料泵插入裝亞甲基多苯基異氰酸酯（PM200）（簡稱紅料）罐中，然后啟動發泡機，使得白料和紅料在高壓下進入發泡槍的混合室中按照1：1的體積比進行充分混合，再在環境溫度為20～35℃、濕度不超過70%的條件下噴涂到產品表面，形成泡沫絕熱防護層。

1.4 性能測試

噴涂的硬質聚氨酯泡沫密度按《泡沫塑料及橡膠表觀密度的測定》（GB6343-2009）測定；壓縮強度和壓縮模量按《硬質泡沫塑料 壓縮性能的測定》（GB8813-2020）測定；剪切強度和剪切模量按《硬質泡沫塑料 剪切強度試驗方法》（GB10007-2008）測定；導熱系數按《塑料導熱系數試驗方法 熱護平板法》（GB3399-1982）測定。

2 結果與討論

2.1 發泡劑用量對泡沫性能影響

發泡劑是聚氨酯泡沫塑料一種重要的助劑，分為化學發泡劑和物理發泡劑，在制備低密度、導熱系數小的絕熱材料時，非常依賴物理發泡劑，實驗采用常用HCFC-141b作為發泡劑。發泡劑的用量對泡沫的密度、機械強度和導熱系數影響較大，發泡劑用量與密度、導熱系數的關系見圖1，發泡劑用量與壓縮強度、剪切強度的關系見圖2。

由圖1和圖2可見，隨著發泡劑用量的增加，泡沫塑料的密度、導熱系數，壓縮強度和剪切強度均呈現下降趨勢，這是由于隨著發泡劑用量的增加，泡沫中的孔隙不斷增加，泡沫內部的疏松程度逐漸增加，見圖3。對于泡沫絕熱材料來說，低密度、導熱系數小是有利的，但絕熱材料仍需要有一定的機械強度。當發泡劑用量為40g時，泡沫的密度和導熱系數最小，壓縮強度尚能滿足0.3MPa的要求，但剪切強度低于0.2MPa的要求。因此，按照所用泡沫材料的性能要求（密度0.05～0.07g/cm3，壓縮強度≥0.3MPa，剪切強度≥0.2MPa，導熱系數≤0.038W/m.K），當發泡劑用量為35g，泡沫塑料的綜合性能最佳。

2.2 環境濕度對泡沫性能的影響

在噴涂發泡成型過程中，環境濕度會對噴涂的聚氨酯泡沫性能有一定的影響。在環境濕度為22%、70%、75%和80%條件下進行了工藝試驗，泡沫性能的測試結果見表2。

由表2可見，環境濕度為22%和70%時，制得的泡沫的性能沒有顯著差異；當環境濕度達到75%時，泡沫的密度、壓縮強度、剪切強度和導熱系數等性能均出現明顯下降；當環境濕度為80%時，噴涂制得的泡沫偏軟，無法完成制樣，此時噴涂的泡沫內部狀態如圖4。

泡沫噴涂發泡時，環境濕度過高，空氣中會含有較多的水份。由于水本來就是聚氨酯泡沫的化學發泡劑，可與異氰酸酯反應生成CO2，同時生成脆性的含脲基物質。生成CO2會殘留在泡沫的泡孔中，造成泡沫密度降低，機械強度下降、導熱系數變小。但大量的生成CO2會引起泡沫性能的急劇下降。同時，由于CO2分子小，部分CO2生成后會從泡孔中溢出，其擴散的速度快于空氣進入泡孔的速度，造成噴涂的泡沫收縮較大，產品的尺寸穩定性較差；生成的脆性含脲基物質會降低泡沫與復合材料的粘結性能。因此，在復合材料表面噴涂絕熱泡沫塑料時環境濕度應不大于70%。

2.3 環境溫度對泡沫性能的影響

硬質聚氨酯噴涂發泡時，環境溫度對泡沫的性能影響較大。環境溫度過低，原材料化學反應活性低，發泡時間長，噴涂過程會出現流掛現象；環境溫度過高，原材料化學反應活性高，發泡時間短，化學反應產生大量的熱量無法快速散去，泡沫內部易出現分層開裂現象。因此，在環境溫度為10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃進行工藝試驗。泡沫性能的測試結果見表3。

由表3可見，當環境溫度低于15℃時，制備的泡沫制品性能不滿足技術指標要求，噴涂過程中，泡沫容易從工件表面脫落。隨著環境溫度的升高，當環境溫度在15～35之間時，制備的泡沫制品密度滿足要求；當環境溫度為40℃時，制備的泡沫制品性能下降，泡沫的狀態見圖5。由此可得，要保證制備泡沫制品的質量，環境溫度控制在15～35℃。

3" 結語

（1）通過工藝試驗和泡沫性能測試，當硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡時各原材料的質量比滿足表4要求時，噴涂工藝及泡沫性能滿足復合材料絕熱層的要求。

（2）當發泡劑的用量為35g時，噴涂制備的硬質聚氨酯泡沫密度低、導熱系數小，機械強度滿足復合材料絕熱層的要求。

（3）硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡時，生產現場的環境濕度應不高于70%。

（4）硬質聚氨酯泡沫噴涂發泡時，生產現場的環境溫度在15～35℃范圍內較為適宜。

參考文獻

[1] 劉磊，郭琰，段飛等.硬質聚氨酯泡沫材料制備及成型工藝研究[J].機械科學與技術，2023，42（2）：267-281.

[2] GAMA N V，FERREIRA A，BARROS-TIMMONS A.polyurethane foams：past，present，and future[J].Materials，2008，11（10）：1841.

[3] 李克誠，楊磊，高東岳等.用于低溫貯箱的鋁合金-硬質聚氨酯泡沫夾芯共底設計與分析[J].復合材料學報，2021，38（3）：911-919.

[4] 羅琛，楊炳烽，吳昊等.GB/T 40363-2021《冷藏集裝箱和冷藏保溫車用硬質聚氨酯泡沫塑料》介紹和解讀[J].聚氨酯工業，2022，37（4）：5-8.

[5] 徐祥，沈照羽，崔勝凱等.發泡劑對硬質聚氨酯泡沫性能的影響[J].熱固性樹脂，2021，36（2）：31-33.

[6] 石清.聚氨酯硬質泡沫塑料噴涂保溫技術在消防車上的應用[J].專用汽車，2021（3）：76-79.

[7] 余向偉.硬質聚氨酯多孔材料的制備及性能[D].青島：青島科技大學，2020.

[8] 楊春柏.硬質聚氨酯泡沫塑料研究進展[J].中國塑料，2009，23（2）：45-57.