速干型单组分聚氨酯泡沫填缝剂的研制与性能研究

王伟

上海毅鑫化工科技有限公司（上海 201112）

单组分聚氨酯泡沫填缝剂（OCF）是一种湿固化单组分聚氨酯泡沫材料。区别于双组分聚氨酯泡沫，它是将异氰酸酯成分（粗MDI、TDI等）、聚醚多元醇、增塑剂、催化剂、发泡剂等通过专用气雾剂灌装机械灌装于耐压气雾罐中，摇摆混合均匀后形成稳定的聚氨酯预聚体；由于所有成分共同存在于气雾罐中，故称单组分。使用时，用专用工具将预聚体喷入缝隙或孔洞中，预聚体迅速发泡膨胀并与空气中或基体上的水分反应并固化。固化的泡沫具有粘接、密封、隔音、隔热、防水等多种效果，因此，OCF成为一种应用范围很广的理想填缝材料。[1]

OCF最早由英国帝国化学工业集团（ICI）发明并获得专利，1974年—1976年开始在市场上进行推广。在20世纪90年代中期，OCF在欧洲一些国家得到了广泛而飞速的发展，尤其是在聚氨酯强国——德国的使用量达到了2 500万支[2]，而比利时的SOUDAL和波兰的SELENAL两个生产厂家的产品占据了半壁江山。在21世纪初，OCF由上海东元科技有限公司引入国内，开始了国内市场上的应用并大力发展。目前，国内市场容量在4亿支以上，我国成为了世界上最大的OCF生产基地和市场。

随着我国房地产行业的快速发展，以及人们对家居环境要求的提升，建筑的工程质量标准越来越高，建筑节能也得到了国家的强制性要求，而OCF优异的保温隔热性能及其使用的方便快捷性促进了其在国内的大力发展，尤其是在铝塑门窗、木门安装、新型墙体方面的应用越来越广泛。[3]

OCF在使用时具有完全DIY式操作，在建筑施工中携带方便，施工高效快捷。用专用胶枪或塑料引管将OCF从气雾罐中喷出，泡沫瞬间膨胀，膨胀倍数为自身的50～70倍，室温下泡沫的表干时间约为8 min，根据配方体系的不同，完全固化时间为1～3 h，固化好的泡沫可用锋利工具进行切割美化。高档OCF产品具有很强的粘接性能和较好的力学性能，其技术指标能够达到建筑工程的多项要求。另外，由于该产品使用完全环保的无氟发泡剂，对环保方面的贡献也不容小觑。由于OCF近20年的广泛应用，现已成为建筑密封材料行业不可或缺的重要产品之一，也早已被列入建设部首批推广应用的保温建材产品目录。

目前，国内市场上的产品表干和固化时间基本接近上述描述指标，但在施工过程中，效率较低。当前，木门及塑钢门窗安装工艺发生了改变。以往喷胶密封是先将OCF用胶枪打入缝隙中，泡沫自由膨胀，待泡沫在一定时间固化后，用美工刀、刀片等工具将膨胀出的泡沫切割掉，然后进行下一道工序；而现在区别于以往的施工方式，先将OCF通过胶枪打入缝隙中，等泡沫表干后，将膨胀出缝隙的多余泡沫用手按压进缝隙中，再打硅酮密封胶密封，如果OCF表干时间过长，会严重影响施工效率，因此泡沫的表干时间成为了关键指标之一。为了解决现有产品表干时间长的问题，研发泡沫表面速干型OCF迫在眉睫。

1 实验部分

1.1 原料与试剂

聚醚三元醇（牌号310，305）、聚醚二元醇（牌号204，210），河北亚东化工集团有限公司；改性多元醇（JG-260），上海景古新材料科技发展有限公司；氯化石蜡（CP52），焦作市华晨化工科技有限公司；增韧剂（牌号FL101）和固化剂（牌号FA58），青岛奥成毅鑫科技有限公司；催化剂双吗啉二乙基醚（DMDEE），华茂伟业绿色科技股份有限公司；泡沫稳定剂（牌号QG-6855，QG-8526），上海启光工贸有限公司。上述原料与试剂均为工业级。

1.2 试验仪器

S312强力电动搅拌机，郑州科文仪器设备有限公司；UW220H电子天平，上海仪天科学仪器有限公司；DZF-6050鼓风干燥箱，上海今友试验设备有限公司；WDW-100微机控制电子万能试验机，山东建力检测技术有限公司；QGQ750全自动聚氨脂泡沫填缝剂气雾剂灌装机，扬州美达灌装机械有限公司。

1.3 速干型OCF的制备

将聚醚多元醇（310和204等）、改性多元醇JG-260、催化剂、固化剂、泡沫稳定剂、氯化石蜡等定量加入三口烧瓶中，在105℃下抽真空并搅拌0.5 h，降至常温即得组合聚醚（白料）。

在全自动OCF灌装机上向750 mL马口铁气雾罐中依次定量充装白料、黑料、二甲醚和丙丁烷，然后在摇摆机上将产品摇摆6 min，放入50℃恒温干燥箱中老化72 h，降至常温即可使用。

1.4 速干型OCF的性能测试

表干时间按GB/T 13477.5—2002《建筑密封材料试验方法第5部分:表干时间的测定》进行测试，抗压强度按GB/T 8813—2008《硬质泡沫塑料压缩性能的测定》进行测试。

2 结果与讨论

利用单因素实验研究固化剂FA58、催化剂、改性多元醇JG-260对OCF性能的影响。

2.1 固化剂FA58添加量对表干时间的影响

聚氨酯固化剂是一种能够加速黑料和白料固化反应的物质。聚氨酯的固化是含有—NCO基团的异氰酸酯和含有活泼氢基团的—OH反应形成一种热固体性材料，该反应不可逆。湿固化型聚氨酯泡沫是预聚体中的—NCO基团与空气中或基材表面吸附的水分发生化学反应而形成交联结构的聚合物，而固化剂FA58能够有效催化—NCO/H2O的反应。FA58添加量对OCF表干时间的影响如图1所示。

图1 FA58添加量对表干时间及保质期的影响

从图1可以看出，随着FA58添加量的增加，表干时间缩短。这主要是因为FA58能够促进泡沫预聚体—NCO与—OH的反应以及—NCO与H2O的反应，FA58与DMDEE有一定的协同作用，对泡沫的固化有一定的积极作用。虽然FA58对泡沫的固化有帮助，泡沫的固化时间明显缩短，但预聚体的储存期亦受到影响，随FA58添加量的增加，罐内预聚体的储存期变短，进而影响产品的使用。FA58的用量在1‰～2‰时，既能保证泡沫快速固化，又能保证产品储存期在规定范围内（一般要求不少于6个月，通常为9个月）。

2.2 催化剂DMDEE添加量对表干时间的影响

单组分聚氨酯泡沫填缝剂的固化以—NCO和H2O的反应为基础，为了提高湿固化聚氨酯胶黏剂的固化速率，经常需要加入催化剂。与一般双组分聚氨酯泡沫发泡体系不同，OCF是聚氨酯预聚物与催化剂、发泡剂等原料混合装填在一密闭罐中的特殊发泡体系。传统催化剂如A-1、有机锡和N,N-二甲基环己胺等并不适合于OCF体系。OCF体系要求催化剂有较强的催化活性，同时对聚氨酯预聚物体系的贮存稳定性无明显影响。目前，OCF催化剂一般采用DMDEE，其对表干时间的影响如图2所示。

由图2可知：组合聚醚中，随着DMDEE的增加，泡沫的表干时间变短，主要是因为在起初，DMDEE加速了泡沫中—NCO与—OH以及—NCO与空气中H2O的反应。然而，并不是DMDEE的量越多越好。当添加量大于组合聚醚量的8‰后，表干时间基本没有太大变化，而贮存稳定性受到影响，罐内预聚体的黏度增加，保质期缩短，主要是因为当泡沫表面预聚体—NCO与空气中的H2O完全反应后，不再随DMDEE量的增加而变化。因此，DMDEE的添加量为组合聚醚的5‰～8‰为宜。

图2 DMDEE添加量对表干时间的影响

2.3 多元醇对表干时间及抗压强度的影响

改性多元醇JG-260属于多元醇类聚合物，与聚氨酯中需要的聚醚/聚酯多元醇具有相似的化学性质，其官能度及相对分子质量对泡沫的固化时间有一定的影响。泡沫喷出后，预聚体中的—NCO与空气中的水分反应而固化成泡沫塑料，泡沫填缝剂的表干及固化时间随相对分子质量的增加而延长。这是因为随着多元醇相对分子质量的增加，MDI的用量减少，预聚体中—NCO含量降低，需要与水反应的量减少，因而泡沫固化时间变短；相反，在高档OCF产品中，预聚体中—NCO的含量较高，泡沫喷出后，—NCO需要更多的水分与之反应，需要的固化时间更长，甚至在空气湿度较低（小于20%）的情况下出现难以固化的现象，需要通过外部喷水雾增加湿度来加快泡沫的固化。实验（见图3）表明：改性多元醇JG-260对泡沫固化时间有一定的影响。

图3显示，JG-260添加量越多，固化时间越短，但组合聚醚黏度变大，填缝剂喷出率降低。在力学性能上表现为：其他条件不变，随着JG-260添加量的增加，固化好的泡沫抗压强度降低，脆性增加，泡沫表面韧性降低。主要是因为多元醇的官能度及相对分子质量直接影响单组分聚氨酯泡沫填缝剂的性能。通常，官能度和羟值越大，所得泡沫硬、密度大、尺寸稳定性好；反之会取得相反的效果。JG-260在影响OCF力学性能上表现突出，主要基于其分子结构的影响，分子中含有的柔性链段较多，合成的泡沫强度较低。在保证OCF综合性能的情况下，JG-260最佳添加量为组合聚醚量的3%～5%。

图3 JG-260添加量对表干时间和抗压强度的影响

2.4 固化剂FA58添加量对抗压强度的影响

固化剂FA58在加快OCF表干的同时，对其抗压强度也有一定的影响，结果如图4所示。

图4 FA58添加量对抗压强度的影响

从图4可以看出，随FA58添加量的增加，泡沫塑料的表面抗压强度呈先增加后减小的趋势。这是因为FA58对催化—NCO/—OH的反应作用较大，随FA58添加量的增加，开始对—NCO/H2O的反应有较为明显的催化作用，该反应形成过多的脲基及其衍生物，因此泡沫的表面脆性增加，强度变小，而且泡沫的尺寸稳定性变差，收缩较为严重。

2.5 增韧剂FL101添加量对抗压强度的影响

FA58和JG-260对OCF的表干时间都有积极的影响，但是泡沫的抗压强度都随二者的增加而降低，因此，要想保证OCF更好的力学性能，加入一种或几种原料来提高这方面的性能很有必要。通过多次试验，选择新型增韧剂FL101作为补强材料。

增韧剂是能增加材料膜层柔韧性的物质，当材料固化后伸长率低，表面脆性较大，承载强度较低时增韧剂能够起到补偿效果，且不影响材料其他主要性能。增韧剂FL101在OCF中得到充分应用，改善了泡沫的表面韧性，如图5所示。低温情况下无法使用，主要是因为OCF固化后泡沫表面非常脆，甚至在受力情况下出现粉末状脱落，无法达到施工要求。因此，FL101在超低温下的应用为研究超低温OCF产品指明了方向。

图5 增韧剂FL101含量对抗压强度的影响

采用筛选出的各组分的最佳添加比例，合成出的OCF产品已达到最佳性能，现已成功应用于实际生产，并产生了优异的经济效益。

3 结论

在有效缩短OCF表干时间和保证其综合力学性能的情况下，确定了固化剂FA58的最佳添加比例为组合聚醚量的1‰～3‰，催化剂DMDEE的添加量为组合聚醚量的5‰～8‰，改性多元醇JG-260的最佳添加比例为组合聚醚量的3%～5%。增韧剂FL101虽不能提高OCF的表干时间和固化时间，但能够改善OCF的力学性能，增强其抗压强度，弥补FA58和JG-260的缺陷，其最佳添加比例为组合聚醚量的2%～4%。此外，FL101的应用对研究超低温OCF产品有一定的指导意义。

从图5可以看出，随着增韧剂FL101添加量的增加，OCF的抗压强度升高，主要是因为增韧剂中含有柔性链段，其贯穿于聚氨酯的交联网络，形成半互穿网络型聚合物，从而降低OCF泡沫的模量，提高表面韧性。

此外，在对FL101研究过程中发现了其另一个突出优势：在超低温（-10℃）状态下，配方中加入5%以上的FL101，OCF能够正常使用，泡沫表面不脆，且结构正常。目前，市场上大部分OCF产品在超