滤清器低密度聚氨酯密封胶工艺性能研究

周红欣　梁枭　万小龙

摘要：研究了一种空气滤清器用低密度聚氨酯密封胶发泡工艺及制品性能。考查了水分、催化剂对于发泡工艺、制品硬度的影响，测试了最终配方的力学性能。结果表明，当水分添加量为0.12%～0.15%、催化剂A-8507添加量为1.25质量份、催化剂A-8300添加量为0.3质量份时，其发泡工艺能够满足实际应用要求，制品外观良好，邵氏C硬度为27～35，力学性能达标，能够满足在不同气候尤其是低温时的应用要求。

关键词：聚氨酯；滤清器；发泡工艺；硬度

中图分类号：TQ436+.6 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2014）07-0050-04

空气滤清器是汽车、轮船、施工机械、发电机组等内燃机械必不可少的“三滤”之一。随着我国汽车工业的迅速发展，特别是轿车工业的发展，其需求量越来越大。聚醚型低密度聚氨酯微孔弹性体作为空气滤清器滤芯端盖的密封材料在汽车工业广泛应用[1～4]。聚氨酯胶粘剂是由多元醇化合物（聚酯多元醇、聚醚多元醇）与多异氰酸酯组成，其分子结构中含有多种极性和非极性基团，对多种材料表面都具有较高的粘接强度[5～8]。同时由于聚氨酯体系形成的2相结构，使其具有独特的柔韧性和宽范围的力学性能的变化，可同时保持较高的力学强度、断裂伸长率及优异的冲击韧性，这是其他体系很难同时达到的[2]。相比传统的滤清器端盖密封材料，聚氨酯胶保证了滤清器良好的气密性，而且改变了滤清器滤芯端盖传统的多工序生产方式，优化了加工工艺[9]，使制品具有良好的耐高低温性能、较低的毒性，顺应了车用材料的发展趋势[10]。

但是，空气滤清器聚氨酯密封胶在实际加工使用过程中，聚氨酯体系的反应时间很大程度上影响着产品的加工性能，而且材料制品硬度大多对自然温度比较敏感，尤其是气温较低时，硬度变大，影响其制品的安装。本文针对空气滤清器这一特点，研究了配方中水分、催化剂用量对发泡工艺的影响，并对其制品的硬度和力学性能进行了测试。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇GE-360N、聚合物多元醇POP-H-45，工业级，中国石化集团资产经营管理有限公司上海高桥分公司；改性异氰酸酯M-2821，交联剂C-1509-2-2，表面活性剂C-1050，催化剂A-8507、T-8623、A-8300，工业级，上海合达聚合物科技有限公司；扩链剂1，4-丁二醇（1，4-BDO），中国石化上海石油化工股份有限公司；交联剂BL-9701，杭州白浪助剂有限公司；泡沫稳定剂硅油DC-2525，美国气体公司；黑色浆，宝美施化工（上海）有限公司（BOMEX）。

1.2 实验条件和方法

（1）试验设备和条件控制

搅拌速度2 000 r/min；发泡杯：1 000 mL聚乙烯塑料杯和210 mL一次性塑料杯；模具A：金属模具（15×15×5）cm3，模温控制在（50±1）℃；金属模具B：（15×15×1）cm3，模温控制在（50±1）℃。称量误差±1 g（聚醚）和0.01 g（催化剂、水和助剂）；计时误差±1 s。

邵氏硬度计：橡塑微孔硬度计LX-C型，上海六菱仪器厂。

拉力机：DXLL-1000拉力实验机，上海德杰仪器设备有限公司。

（2）发泡工艺测试方法

将组合A料和B料异氰酸酯M-2821按照一定的质量比在料温30 ℃下于发泡杯中搅拌混合均匀，倒入一次性塑料杯中和模具A中。观察杯内开始发泡的时间，即为乳白时间；随着反应的进行，泡沫高度逐渐变高，直到泡沫高度不再增长，即凝胶时间；将溢出杯口平面以上的发泡体沿杯口切除，称量杯内剩余泡沫的质量，按下式计算泡沫密度。自由泡沫密度=（实际质量-杯子质量）/杯子体积，单位是g/mL。

（3）硬度测试

将浇注于模具A中的混合料于10 min后取出，熟化88 h，按照GB/T 2411—2008，GB/T 2918—1998测试。

（4）力学性能测试

样品制备：将搅拌均匀的混合料浇注于模具B中，控制密度在（560±10）g/mL，压模制备，10 min后取出，熟化72 h后作为测试样品。

采用DXLL-1000拉力实验机，按照GB/T 6344—2008测定其拉伸强度、断裂伸长率和最大拉力。

最大强力由最大拉力按照以下公式换算而成：

最大强力=最大拉力×0.102 kgf/N。

2 结果与讨论

2.1 配方

滤清器低密度聚氨酯密封胶配方见表1。

2.2 水分对制品性能的影响

表1配方中，水分作为化学发泡剂，和组分中的异氰酸酯反应生成CO2作为发泡气体来源，所以水分的多少直接影响产生气泡的量，从而影响到制品的密度和硬度。表2 是固定催化剂用量：T-8623（0.035质量份），A-8507（1.25质量份），A-8300（0.45质量份），水分对试样性能的影响。

从表2可以看出，随着水分添加量的增大，自由泡沫的密度呈下降趋势。水的加入量越大，产生的气体越多，其制品的密度越低。当水分增大到0.18%以上时，制品表面出现瑕疵，会影响产品的使用。对水分添加量为0.10%的制品测试了其硬度，发现在温度较低（7 ℃）时，邵氏C硬度为37，而水分添加量为0.15%和0.18%的制品邵氏C硬度则较低分别为31和25。由于增加水的用量，发泡过程中产生的气体多，导致制品密度小，引起硬度降低。

2.3 催化剂对发泡工艺及制品性能的影响

聚氨酯化学中，通过异氰酸酯和含活泼氢化合物发生一系列反应，得到需要的各种制品。有2类很重要的反应即异氰酸酯和水的反应与异氰酸酯和聚醚多元醇的反应，这2个反应在制备过程中要保持动态的平衡与匹配，才能制备品质优良的制品[11]。选用复合催化剂体系即：T-8623，A-8507和A-8300。T-8623锡类催化剂（热敏高效催化剂），其用量固定为0.035质量份，考查了A-8507和A-8300催化剂用量对发泡工艺及制品性能的影响。图1为固定催化剂A-8300为0.45质量份，水分为0.15%，A-8507不同添加量对乳白时间和凝胶时间的影响。

从图1 可以看出，乳白时间和凝胶时间均随A-8507添加量的增加而缩短，当A-8507的添加量由0.75质量份增加到1.5质量份时，乳白时间由20 s降低到11 s，凝胶时间由90 s降低到40 s。考虑到工业应用，乳白时间应保持在13～15 s，选定A-8507的添加量为1.25质量份比较合适。从图中还可以看出，当A-8507的添加量为1.25质量份时，凝胶时间只有50 s左右，考虑到实际应用的可操作性，还需要对凝胶时间进行调整。

实验中通过改变催化剂A-8300的用量对凝胶时间进行调整。表2和表3分别列出了A-8507添加量为1.25质量份时，A-8300催化剂分别为0.45、0.3和0质量份时的发泡工艺和制品性能。

结合表2和表3可以看出，A-8300催化剂用量对于体系的凝胶时间影响较大。当A-8300的加入量为0.45质量份时，体系的凝胶时间为51～52 s，当加入量减少为0.30质量份时，体系的凝胶时间延长为57～60 s。当不加A-8300的时候，体系的凝胶时间为69～70 s，而且水分添加量为0.18%时，制品的暗泡量减少，凝胶速度变慢，减少了暗泡的形成。

考虑到工业实际应用中的可操作时间，催化剂A-8300加入量为0.3质量份比较合适。

对催化剂A-8507加入量为1.25质量份、A-8300加入量为0.3质量份时的制品进行了硬度测试，结果如表4所示。

从表4可以看出，当固定催化剂A-8300用量为0.3质量份、A-8507为1.25质量份、水分添加量为0.10%时，硬度较高，尤其当温度较低时，超出了滤清器聚氨酯密封胶的使用要求。而水分添加量为0.12%～0.15%时，硬度较低，可以满足制品的工业应用。

2.4 力学性能

对制品进行了力学性能测试，每个样品测5组取平均值，结果如表5所示。

从表5可以看出，水分添加量为0.12%～0.15%，催化剂A-8507添加量为1.25质量份，A-8300添加量为0.3质量份时，制品力学性能能够满足实际应用的需要。

3 结论

（1）随着水分含量的增大，制品密度降低；当水分添加量为0.10%时，制品邵氏C硬度为37。当水分低于0.18%，制品表面良好，大于0.18%时，制品表面有瑕疵。

（2）随着催化剂A-8507添加量的增大，乳白时间和凝胶时间均明显缩短。随着催化剂A-8300添加量增大，乳白时间基本不变，凝胶时间明显缩短。当催化剂A-8507添加量为1.25质量份，A-8300的添加量为0.3质量份时，乳白时间为14 s，凝胶时间控制在58～60 s，能够满足工业生产的可操作时间。

（3）制品硬度随着水分添加量的增加而降低，当水分添加量保持在0.12%～0.15%时，其制品的硬度和力学性能均能满足制品的使用要求。

参考文献

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