匀泡剂Menhover S-70在戊烷发泡PIR体系中的应用

信延垒 张文凯 朱纯银

(1.上海麦豪新材料科技有限公司 上海 201507)(2.江苏大学 江苏镇江 212013)

我国聚氨酯泡沫行业在HCFC淘汰第一阶段，冰箱和冷柜、冷藏集装箱、电热水器3个子行业可以采用零臭氧消耗潜值(ODP)和低温室气体效应值(GWP)的环戊烷作为发泡剂，该技术已成熟[1-5]。在HCFC淘汰第二阶段，板材子行业保温聚氨酯泡沫大多采用戊烷发泡技术，且连续板材生产线以正戊烷(NP)为主。戊烷在所制备的泡沫体中所占质量分数约为5%左右，采用戊烷发泡剂增加了泡沫的可燃性，因此需要提高异氰酸酯指数对硬质聚氨酯泡沫塑料进行改性，得到聚异氰脲酸酯(PIR)泡沫[6]。而正戊烷与PIR泡沫组合料中的聚酯多元醇混溶性非常差，容易出现分层问题；同时高异氰酸酯指数的泡沫表面缺陷更加严重，造成泡沫与面材粘接变差等问题，需采用特别的匀泡剂。

本研究系统评价了适合于NP发泡PIR泡沫体系的有机硅匀泡剂Menhover S-70在组合聚醚体系中的溶解性及其对泡沫性能的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料与设备

PIR泡沫用组合聚醚(含催化剂)，自制；HCFC-141b，浙江三美化工股份有限公司；正戊烷(NP)，佛山市顺德区美龙环戊烷化工有限公司；有机硅匀泡剂Menhover S-70(简称S-70)，上海麦豪化工科技有限公司；有机硅匀泡剂A、B、C，市售；多亚甲基多苯基异氰酸酯PM-200，万华化学集团股份有限公司。

兰芝模(I模)，1 200 mm×200 mm×50 mm，滁州尚诺自动化设备有限公司；万能力学试验机，HS-3005A型，上海和晟仪器科技有限公司；闭孔率测试仪，Ultrapycnometer 1000型，美国Quantachrome公司；导热系数仪，HC-074型，美国EKO公司；高压发泡机，意大利康隆公司；泡沫切割机，扬宇富机械制造(深圳)有限公司；高速分散机，安徽博进化工机械有限公司。

1.2 基础配方及制备方法

A组分的基本配方为组合聚醚100份、有机硅匀泡剂2.5份，NP和141b发泡配方中发泡剂用量分别为15份和20份。将3种原料加入混合釜内充分混匀，静置消泡后放出，即得A组分。B组分是PM-200。设计异氰酸酯指数均为300。

手工发泡：将A、B组分的温度调至(20±1)℃；用塑料烧杯称取一定数量的A组分，按照规定比例称取B组分，将B组分迅速倒入A组分中，并立即用转速3 000 r/min的高速分散机搅拌8 s，测试发泡反应参数和泡沫密度。

高压机发泡：控制高压机原料罐温度为(20±2)℃，高压机压力(130±10)kPa，高压机的两组分按照设计的质量比调整，枪头吐料量300 g/s；模具温度(55±2)℃，按照规定量向模具内浇注原料，脱模时间10 min；制得的泡沫在(23±2)℃、(50±5)%RH环境中熟化24 h后，测试性能。

1.3 测试标准

表观芯密度采用GB/T 6344—2009的方法测试；压缩强度采用GB/T 8813—2008的方法测试；粘接强度采用ASTM D1623-17的方法测试；耐湿热老化尺寸变化采用GB/T 8811—2008的方法测试；导热系数采用GB/T 10294—2008的方法测试；氧指数采用GB/T 2406—2009的方法测试；垂直燃烧高度采用DIN 4102-1-2009 B2的方法测试。

2 结果与讨论

2.1 匀泡剂对NP在A组分中溶解性能的影响

PIR硬泡的A组分(组合聚醚，白料)的主要成分是聚酯多元醇和聚醚多元醇，属于极性物质，特别是聚酯多元醇具有较强的极性，而正戊烷是一种极性非常小的烷烃类物质。因此，正戊烷在组合聚醚中存在溶解性能差的现象。本实验将S-70与3家市售用于戊烷发泡的同类产品(有机硅匀泡剂A、B和C)进行对比；取100 g组合聚醚于透明试剂瓶中，加入2.5 g有机硅匀泡剂，并按照一定的用量加入NP，充分混合均匀、静置24 h后观察外观。具体结果见表1。

表1 正戊烷在组合聚醚中溶解性

试验发现，NP用量小于12 g时，加各类匀泡剂，体系均透明。从表1可知，S-70能够增加正戊烷在组合聚醚体系中的溶解性能。

2.2 有机硅匀泡剂对反应特性的影响

通过手工自由发泡方式，对比不同有机硅匀泡剂对发泡反应特性的影响，结果见表2。

表2 匀泡剂对PIR硬泡发泡反应特性的影响

从表2可知，不同有机硅匀泡剂对发泡反应特性无太大影响；S-70较其他3款产品的表皮熟化速度稍快，有利于改善脱模和提高粘接性能。

2.3 有机硅匀泡剂对泡沫表面气泡缺陷影响

当A、B组分充分混合后，水和多元醇与异氰酸酯在催化剂的作用下快速反应，释放出CO2和热量，低沸点的正戊烷吸收反应热汽化，物料在30～60 s内迅速膨胀至原有体积的20～30倍。在快速膨胀、流动过程中，物料与接触面存在的剪切、摩擦应力造成泡沫破裂、并泡形成较大空洞。使用I模制备泡沫板，制备成型后，使用切割机去掉表皮2～4 mm；采用不同有机硅匀泡剂制得的硬泡其表皮下泡孔情况见图1。

图1 泡沫表面照片

由图1可知，通过恰填充和过填充两组泡沫对比发现，泡沫表皮下泡孔结构基本一致；使用S-70制得的泡沫表皮下空洞少，无明显大空洞，并且在减少表面空洞缺陷的同时也有助于提高泡沫与面材之间的粘接力和提高板材整体的保温性。

2.4 有机硅匀泡剂对泡沫性能的影响

使用I模制备样块，将100 mm ×100 mm彩钢板分别固定于模具上下表面的同一位置，发泡过程中泡沫体与彩钢板自行粘接，熟化后测试泡沫与金属面材的粘接强度，研究了不同有机硅匀泡剂对泡沫压缩强度、闭孔率、导热系数及粘接强度的影响，结果见表3。

表3 匀泡剂对PIR泡沫性能的影响

从表3可知，S-70制得的泡沫具有更高的闭孔率、粘接强度和较低的导热系数。这是因为有机硅匀泡剂除了使组合料均匀稳定，在泡沫成型过程中还有稳泡、成核的作用。匀泡剂能够降低相界面的表面张力，泡沫体在膨胀、成型中不破裂、并泡，使泡沫体均匀稳定膨胀。通过比较各泡沫体的闭孔率，可以评估有机硅匀泡剂的稳泡性能。匀泡剂的成核性决定了泡沫体中单位体积内成核数量，影响泡沫细腻程度，进而影响泡沫的导热系数。

2.5 NP与HCFC-141b发泡PIR泡沫性能对比

本实验还测试对比了NP发泡和HCFC-141b发泡制得PIR泡沫的各项性能指标，结果见表4。

表4 不同发泡剂对PIR泡沫性能的影响

由表4可知，使用NP发泡制备的硬泡的机械性能明显优于HCFC-141b制备的泡沫；由于NP自身气相热导率高的原因，导致制得硬泡的导热系数较高，但其制得的泡沫依然能够满足保温性能要求。由于NP自身属于易燃液体，在泡沫体中起到助燃作用，致使泡沫的阻燃性能有所降低，但通过配方设计，能够使制得的泡沫阻燃性能满足要求。

3 结论

(1)在聚氨酯保温板材领域，使用NP替代HCFC-141b发泡制得的PIR泡沫，通过配方设计可以满足现行技术指标要求。

(2)有机硅匀泡剂Menhover S-70在NP发泡体系中具有优异的综合性能，尤其可以改善NP在组合聚醚体系中的溶解性，使配方设计过程中对聚醚、聚酯原料筛选的宽容度加大，改善泡沫与面材的粘接性，同时降低泡沫体表皮下缺陷。