硬质聚氨酯泡沫喷涂发泡工艺研究

作者简介：闫红英（1977—），女，硕士研究生，工程师，研究方向为复合材料。

摘要：在结构复杂、表面凹凸起伏较大、异型零部组件较多的复合材料产品表面制作硬质聚氨酯泡沫绝热防护层时，喷涂发泡工艺与浇注模塑成型的泡沫块熟化、切割和粘接工艺相比，具有生产周期短，泡沫损失率低，生产成本和劳动强度低等优点，且形成的泡沫整体性好，一致性高，无缝隙。提出了硬质聚氨酯泡沫喷涂发泡时物料之间的配比，通过工艺试验对发泡剂用量、环境温度和环境湿度对泡沫性能的影响进行了验证，试验结果表明发泡剂质量配比为35g，环境温度不大于70%，环境温度为15～35℃时，制备的泡沫性能优良。

关键词：聚氨酯泡沫  喷涂  环境湿度  环境温度

中图分类号：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负荷状态下不发生明显形变，当负荷过大发生形变后不能恢复到初始状态的泡沫塑料，是以异氰酸酯和聚醚为主要原料，在发泡剂、催化剂、稳定剂、阻燃剂等多种主机作用下，经过专用设备混合，经高压喷涂现场发泡而成的高分子聚合物，具有优良的物理机械性能、声学性能、电学性能、化学性能和热导率较低，是优质的绝热保温材料，在航天领域常用于产品的绝热防护层[1-3]。硬质聚氨酯泡沫成型方法主要有：块状发泡、喷涂发泡、浇注模塑成型、整皮发泡、沫状发泡和冷熟化。目前，最常用的成型方法是浇注模塑成型和喷涂。浇注模塑成型是把原料按比例混合并注入模具，反应物料要充分混合，在物料达到乳白状态前注入模具中，固化后打开模具，取出泡沫块[4-6]。通常，泡沫块最少要熟化一周才能进行切割。在结构复杂、表面凹凸起伏较大、异型零部组件较多的大型复合材料产品表面制作硬质聚氨酯硬质泡沫绝热防护层，采用浇注模塑成型工艺，首先要将制备的块状泡沫制品加工成为需要的形状，生产周期长，泡沫损失率高，生产成本也高；其次，加工的泡沫制品要进行粘接，粘接工艺复杂，粘接后留下的空腔较多，修补费时费力，同时影响泡沫绝热层结构的整体性，喷涂工艺可以有效克服上述缺点[7-8]。采用喷涂工艺在复合材料产品表面制作的硬质聚氨酯硬质泡沫绝热层要求密度低、导热系数小，同时具有一定的机械强度，在现场喷涂的过程中，泡沫材料的性能易受发泡剂用量、环境温度和湿度的影响，本文针对影响因素开展工艺研究。

1 实验

1.1 原材料

聚醚多元醇ED750，工业级；聚醚多元醇4113G，工业级，上海佳化化学股份有限公司；33%三乙烯二胺溶液，工业级；二月桂酸二丁基锡，工业级，常州凯瑞化学科技有限公司；有机硅表面活性剂M8805，工业级，江苏美思德化学股份有限公司；1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b），工业级，常熟三爱富氟化工有限公司；亚甲基多苯基异氰酸酯（PM200），工业级，万华化学集团股份有限公司。

1.2 配比

经过大量的工艺试验和泡沫性能测试，当各原材料之间达到表1配比时，喷涂工艺及泡沫性能满足复合材料绝热层的要求。

1.3 试验过程

将聚醚多元醇ED750、聚醚多元醇4113G、33%三乙烯二胺溶液、二月桂酸二丁基锡、有机硅表面活性剂M8805和1，1二氯-1氟乙烷（HCFC-141b）按照表1配比分别称量后，放置于配料釜中，在室温下搅拌1.5h，然后打开配料釜油浴加热系统，温度设定为（55±5）℃，加热搅拌1～2h，当物料温度被加热至50～60℃，关掉搅拌，配制成简称的白料，保温待用；将发泡机的第一提料泵插入装白料的料罐中，第二提料泵插入装亚甲基多苯基异氰酸酯（PM200）（简称红料）罐中，然后启动发泡机，使得白料和红料在高压下进入发泡枪的混合室中按照1：1的体积比进行充分混合，再在环境温度为20～35℃、湿度不超过70%的条件下喷涂到产品表面，形成泡沫绝热防护层。

1.4 性能测试

喷涂的硬质聚氨酯泡沫密度按《泡沫塑料及橡胶表观密度的测定》（GB6343-2009）测定；压缩强度和压缩模量按《硬质泡沫塑料 压缩性能的測定》（GB8813-2020）测定；剪切强度和剪切模量按《硬质泡沫塑料 剪切强度试验方法》（GB10007-2008）测定；导热系数按《塑料导热系数试验方法 热护平板法》（GB3399-1982）测定。

2 结果与讨论

2.1 发泡剂用量对泡沫性能影响

发泡剂是聚氨酯泡沫塑料一种重要的助剂，分为化学发泡剂和物理发泡剂，在制备低密度、导热系数小的绝热材料时，非常依赖物理发泡剂，实验采用常用HCFC-141b作为发泡剂。发泡剂的用量对泡沫的密度、机械强度和导热系数影响较大，发泡剂用量与密度、导热系数的关系见图1，发泡剂用量与压缩强度、剪切强度的关系见图2。

由图1和图2可见，随着发泡剂用量的增加，泡沫塑料的密度、导热系数，压缩强度和剪切强度均呈现下降趋势，这是由于随着发泡剂用量的增加，泡沫中的孔隙不断增加，泡沫内部的疏松程度逐渐增加，见图3。对于泡沫绝热材料来说，低密度、导热系数小是有利的，但绝热材料仍需要有一定的机械强度。当发泡剂用量为40g时，泡沫的密度和导热系数最小，压缩强度尚能满足0.3MPa的要求，但剪切强度低于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，压缩强度≥0.3MPa，剪切强度≥0.2MPa，导热系数≤0.038W/m.K），当发泡剂用量为35g，泡沫塑料的综合性能最佳。

2.2 环境湿度对泡沫性能的影响

在喷涂发泡成型过程中，环境湿度会对喷涂的聚氨酯泡沫性能有一定的影响。在环境湿度为22%、70%、75%和80%条件下进行了工艺试验，泡沫性能的测试结果见表2。

由表2可见，环境湿度为22%和70%时，制得的泡沫的性能没有显著差异；当环境湿度达到75%时，泡沫的密度、压缩强度、剪切强度和导热系数等性能均出现明显下降；当环境湿度为80%时，喷涂制得的泡沫偏软，无法完成制样，此时喷涂的泡沫内部状态如图4。

泡沫喷涂发泡时，环境湿度过高，空气中会含有较多的水份。由于水本来就是聚氨酯泡沫的化学发泡剂，可与异氰酸酯反应生成CO2，同时生成脆性的含脲基物质。生成CO2会残留在泡沫的泡孔中，造成泡沫密度降低，机械强度下降、导热系数变小。但大量的生成CO2会引起泡沫性能的急剧下降。同时，由于CO2分子小，部分CO2生成后会从泡孔中溢出，其扩散的速度快于空气进入泡孔的速度，造成喷涂的泡沫收缩较大，产品的尺寸稳定性较差；生成的脆性含脲基物质会降低泡沫与复合材料的粘结性能。因此，在复合材料表面喷涂绝热泡沫塑料时环境湿度应不大于70%。

2.3 环境温度对泡沫性能的影响

硬质聚氨酯喷涂发泡时，环境温度对泡沫的性能影响较大。环境温度过低，原材料化学反应活性低，发泡时间长，喷涂过程会出现流挂现象；环境温度过高，原材料化学反应活性高，发泡时间短，化学反应产生大量的热量无法快速散去，泡沫内部易出现分层开裂现象。因此，在环境温度为10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃进行工艺试验。泡沫性能的测试结果见表3。

由表3可见，当环境温度低于15℃时，制备的泡沫制品性能不满足技术指标要求，喷涂过程中，泡沫容易从工件表面脱落。随着环境温度的升高，当环境温度在15～35之间时，制备的泡沫制品密度满足要求；当环境温度为40℃时，制备的泡沫制品性能下降，泡沫的状态见图5。由此可得，要保证制备泡沫制品的质量，环境温度控制在15～35℃。

3  结语

（1）通过工艺试验和泡沫性能测试，当硬质聚氨酯泡沫喷涂发泡时各原材料的质量比满足表4要求时，喷涂工艺及泡沫性能满足复合材料绝热层的要求。

（2）当发泡剂的用量为35g时，喷涂制备的硬质聚氨酯泡沫密度低、导热系数小，机械强度满足复合材料绝热层的要求。

（3）硬质聚氨酯泡沫喷涂发泡时，生产现场的环境湿度应不高于70%。

（4）硬质聚氨酯泡沫喷涂发泡时，生产现场的环境温度在15～35℃范围内较为适宜。

参考文献

[1] 刘磊，郭琰，段飞等.硬质聚氨酯泡沫材料制备及成型工艺研究[J].机械科学与技术，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] 李克诚，杨磊，高东岳等.用于低温贮箱的铝合金-硬质聚氨酯泡沫夹芯共底设计与分析[J].复合材料学报，2021，38（3）：911-919.

[4] 罗琛，杨炳烽，吴昊等.GB/T 40363-2021《冷藏集装箱和冷藏保温车用硬质聚氨酯泡沫塑料》介绍和解读[J].聚氨酯工业，2022，37（4）：5-8.

[5] 徐祥，沈照羽，崔胜凯等.发泡剂对硬质聚氨酯泡沫性能的影响[J].热固性树脂，2021，36（2）：31-33.

[6] 石清.聚氨酯硬质泡沫塑料喷涂保温技术在消防车上的应用[J].专用汽车，2021（3）：76-79.

[7] 余向伟.硬质聚氨酯多孔材料的制备及性能[D].青岛：青岛科技大学，2020.

[8] 杨春柏.硬质聚氨酯泡沫塑料研究进展[J].中国塑料，2009，23（2）：45-57.