催化劑對硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能的影響

1、催化劑對硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能的影響支小斌(華東理工大學 化工學院，上海 200237)摘要：催化劑是合成硬質(zhì)聚氨酯的一種重要助劑。在發(fā)泡過程中，催化劑影響發(fā)泡工藝過 程，并最終影響泡沫的質(zhì)量。本文考察了 6種新型催化劑對硬質(zhì)聚氨酯泡沫性能的影響， 并與常用催化劑DMCHA進行了對比，發(fā)現(xiàn)一種具有改善泡沫導熱性能的催化劑。 關(guān)鍵詞：催化劑；硬質(zhì)聚氨酯；導熱系數(shù)；1刖言硬質(zhì)聚氨酯泡沫是在發(fā)泡劑、催化劑和泡沫穩(wěn)定劑等助劑存在的情況下，由聚醚多元 醇或聚酯多元醇與有機聚異氰酸酯反應制得 。發(fā)泡劑、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑等助劑影響 聚氨酯泡沫的性能，而催化劑強烈地影響發(fā)泡工藝性能和泡沫性能，如乳化反應速度、凝

2、 膠反應速度、固化速度、泡沫流動性、熱導熱和尺寸穩(wěn)定性等 2,3。在發(fā)泡過程中，泡沫固 化速度和泡沫流動性是發(fā)泡工藝性能的兩個重要指標，泡沫固化速度的快慢和流動性的好 壞直接影響著泡沫質(zhì)量，固化速度快，脫模時間則短，反之則慢。而流動性良好與否，由 腔體能否被泡沫充滿、泡沫的密度、壓縮強度、熱導率和尺寸穩(wěn)定性等決定。本文考察了 6種催化劑對硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡工藝和泡沫性能的影響，并與常用催化劑 DMCHA進行對比。2實驗2.1主要原料聚醚多元醇A，市售；聚醚多元醇B,市售；聚醚多元醇 C,市售；阻燃劑，市售；泡沫 穩(wěn)定劑，市售；發(fā)泡劑，HFC-245fa； PMDI NCO=31%，市售；催化劑：C

3、1，C2, C3, C4, C5，C6, C7 (DMCHA )；2.2發(fā)泡配方表1配方組分質(zhì)量分數(shù)聚醚多元醇A50-70聚醚多元醇B10-20聚醚多元醇C20-30泡沫穩(wěn)定劑2-3阻燃劑8-12發(fā)泡劑20作者簡介：支小斌，1987-，華東理工大學，化學工程專業(yè)2012屆畢業(yè)生；2010年霍尼韋爾綜合科技公司實習期間，在邢云杰、秦桑路兩位工程師的幫助指導下完成此論文，通訊方式：zzxx_5320163.com.2.3實驗步驟按配方分別稱取聚醚多元醇 A、B、C,阻燃劑，泡沫穩(wěn)定劑，發(fā)泡劑及催化劑于塑料 杯中，混合均勻，控溫至20C，隨即加入配方要求的PMDI(2O1C),然后在5000r/mi

4、n 下攪拌5s，倒入模具進行發(fā)泡，并用foamat軟件得到了不同催化劑的發(fā)泡速度曲線。2.4泡沫性能表征導熱儀測試泡沫的導熱系數(shù)；泡沫拉伸強度試驗機測試泡沫的壓縮強度和彎曲強度； 恒溫恒濕箱測定泡沫的尺寸穩(wěn)定性。3結(jié)果與討論3.1催化反應特性表2和表3分別是在等量催化劑和相同凝膠時間的發(fā)泡反應特性，表2等量催化劑的發(fā)泡反應特性發(fā)泡工藝參數(shù)催化劑用量/gCT/sGT/sTFT/sFRD/Kg -3 mC13.03017422637.6C23.07627437.5C33.0168510735.5C43.013628735.8C53.01813115636.8C63.0712413833.3C73.

5、01712515138.6從表2可以看出，C2和C4催化體系的凝膠時間最短，均為 62s,但C2體系具有比 C4更短的乳化時間，因此 C2的催化活性最高，而 C4次之。從發(fā)泡的凝膠時間可以得出 各催化劑的催化活性強弱順序為：C2C4C3C6C7C5C1。表3相同凝膠時間的催化劑的發(fā)泡反應特性催化劑用量/g -發(fā)泡工藝參數(shù)CT/sGT/sTFT/sFRD/Kg -m-3C15.21310012536.60C21.8710011237.63C32.21510011538.04C41.72410014839.09C54.01010012137.52C63.4610011632.95C73.61010

6、013039.73從表3可以看出，達到相同凝膠時間，催化劑的用量不同，且乳化時間也有差異。通 過比較催化劑用量，乳化時間和凝膠時間，可以得出和表2相似的結(jié)論。泡沫脫粘時間的長短在某一程度上也反映著泡沫固化速度的快慢。脫粘時間短，固化速度快，反之則慢。 從表3我們可以知道各催化體系泡沫脫粘速度的快慢順序為：C2C3C6C5C1C7C4。而且不同催化體系的自由泡密度也不相同，圖1是相同凝膠時間下不同催化體系的自由泡密度，c c3 c4c6 c7圖1不同催化體系的自由泡密度從圖1可以看出，各催化體系自由泡密度大小順序為：C7C4C3C2C5C1C6。3.2發(fā)泡曲線圖2和圖3分別是各催化體系的發(fā)泡速度

7、曲線和泡沫高度曲線,圖2發(fā)泡速度曲線oonooocoon-oonnoo0s6 42yB64208fi4211ci hcur1* alhrihl* ci圖3泡沫高度曲線從圖2和圖3可以看出，7種催化體系的發(fā)泡速度曲線和泡沫高度曲線各有差別。C6和C2催化體系泡沫初期上升速度最快，且初期泡沫高度C6大于C2,且初期C6發(fā)泡速度 最快。在發(fā)泡開始后10s左右，C6體系就達到最大發(fā)泡速度 4.10mm/s，相比其他催化體 系，達到最大發(fā)泡速度的時間最短。當達到20s左右時，C2體系達到最大發(fā)泡速度4.2mm/s， 泡沫高度很快超過C6體系。在此段時間里，其它催化體系發(fā)泡速度很小，有的甚至剛剛 開始乳化

8、反應，所以泡沫上升高度很小。但到30s時，C5和C7發(fā)泡速度迅速變快，此時泡沫快速升高。此后，發(fā)泡速度開始變慢，泡沫高度上升緩慢，而C3和C1發(fā)泡速度開始陡增至最大，相應泡沫開始快速升高。此時 C4發(fā)泡速度也開始加快，60s時達最大，相應 泡沫高度迅速上升。分析完發(fā)泡曲線可以知道，7種催化劑的發(fā)泡特性各不相同，其中C6, C2初期發(fā)泡速度快，屬催化發(fā)泡反應催化劑，而C4初期發(fā)泡速度慢，但后期強勁，屬催化凝膠反應催化劑。其余則屬發(fā)泡反應-凝膠反應平衡催化劑。3.3催化劑對泡沫流動性的影響圖4和圖5分別是各催化體系的反應流動性能圖和泡沫密度分布圖，rimirs nnn：wlil0.250 a 2斗

9、50a2400.2350,2300.2250.220圖4泡沫增高指數(shù)從圖4知道C6催化體系泡沫增高指數(shù)最大，泡沫流動性最好，C1增高指數(shù)最小，流動性最差。增高指數(shù)大小順序為：C6C3C5C2C7C4C1。用泡沫增高指數(shù)來分析泡沫流動性泡沫增高指數(shù)是指在單位質(zhì)量泡沫上升的高度，其值越大，說明泡沫流動性越好150Loinnvui.圖5泡沫密度分布從圖5可以看出，C6密度分布曲線相對最平穩(wěn)，所以密度分布最均勻。平均密度大小 順序為：3= C4C2=C5=C7C3=C6。因此，流動性影響泡沫的密度分布情況，流動性好， 密度則分布均勻。3.4不同催化體系泡沫物性比較圖6是方模具中泡沫的整體密度和芯密度的

10、大小，圖7、圖8和圖9分別是泡沫導熱系數(shù)、壓縮及彎曲強度和尺寸穩(wěn)定性的比較圖。52.00005DQ000Q043. Q042.心口匚:LC2C3C4C5匚ECTver-all dens it yEi口. 34SO. 1*1SO. D4日口1stSO. 2419. B4EiCL 14cor e d cna at/*4G. 7対.SI47. BS4G. ei874.5. BQ431 449ks/pi3電節(jié)46圖6泡沫整體密度和芯密度比較從圖6可以看出，各催化體系的泡沫整體密度大小接近，都為50kg/m3左右，但是芯密度大小不同，這可能是因為不同催化體系的發(fā)泡特性不同。2222222D20圖7泡沫導

11、熱系數(shù)比較4.2 Qa少,4203is42 D從圖7可以看出，催化劑對導熱系數(shù)的影響明顯，各催化體系泡沫導熱系數(shù)大小順序為：C4C5C3C6C2C7C3=C7C2C1C6C4,彎曲強度大小順序為： C5C3=C7C2C6C1C4。DimetblotMl 卿 bilip圖9尺寸穩(wěn)定性比較從圖9可以看出，-30C下泡沫尺寸穩(wěn)定性順序（從左至右穩(wěn)定性依次變差）為：C4=C7C3C5C6=C2C1, 70C下順序為：C3C6C2C4C5C1C7, 70C和 95%濕度 下順序為：C6C2C3C5C4C7C1o3.5催化劑對泡沫脫模性能的影響本實驗通過考察脫模后泡沫厚度增加率來比較各催化劑對泡沫脫模性能的影響。圖10為泡沫厚度增加率隨脫模時間的影響。圖10泡沫厚度增加率從圖10可以看出，各催化體系泡沫厚度增加率大小順序為：C6C4C2C3C1C7C4C3C6C7C5C1; 脫粘速度快慢順序為：C2C3C6C5C1C7C4; 相同凝膠時間下各催化體系自由泡密度大小順序為：C7C4C3C2C5C1C6;導熱系數(shù)大小順序為：C4C5C3C6C2C7C3=C7C2C1C6C4,彎曲強度大小順序為：C5C3=C7C2C6C1C4; 泡沫厚度增加率順序為