CN110627991B - 低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料及其制备方法和应用 - Google Patents

低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料及其制备方法和应用，主要解决现有技术中存在聚氨酯泡沫塑料的压缩永久变形率高、拉伸强度低、舒适性差以及冷凝组分高的问题。本发明通过采用一种低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料，由组分A和组分B组成，组分A与组分B的重量百分比为100:50～80，其中：组分A以重量份数计包括聚醚多元醇:60～100份，交联剂1～5份，无挥发性反应型催化剂1～5.5份，有机硅泡沫稳定剂0.3～1.5份，水2.5～6份；组分B为异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体的技术方案，取得了较好的技术效果，可应用于交通工具座椅中。

Description

低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种泡沫塑料的制备方法和应用，特别是关于低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料及其制备方法和应用。
背景技术
聚氨酯泡沫具有质轻柔软，较高的回弹性，优良的减震缓冲特性，目前被广泛地应用于汽车、高铁、飞机等交通工具中。当前，轻量化、安全环保、舒适性成为汽车座椅用聚氨酯泡沫技术发展的新趋势。聚氨酯泡沫轻量化的途径主要是通过降低制品密度来实现，目前的低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料主要是以甲苯二异氰酸酯(TDI)为基础原料制备的，由于TDI常温下为液态，饱和蒸气压相对较高，容易挥发，且具有一定的毒性，在实际生产使用过程中环境较差，而MDI的饱和蒸气压低，不易挥发，毒性小，可明显减少对环境和人体的危害，且MDI反应速率快，脱模时间短，泡沫硬度高，可实现高舒适度、高回弹，有利于降低生产成本，因此MDI替换TDI是今后制造高回弹聚氨酯泡沫的必然趋势。尽管全MDI体系的高回弹聚氨酯泡沫具有环保、低毒性、生产效率高等优点，但和TDI体系相比，全水发泡MDI体系泡沫密度相对比较大，通过在发泡配方中水量的提高来降低密度会增加泡沫中脲基的含量，使得泡沫的物理性能如拉伸强度、断裂伸长率、压缩永久形变等较差，同时MDI体系发泡时物料粘度高、流动性较差，对于相对复杂的模具容易出现次品。
现有技术中，以KOH为催化剂做成的聚醚多元醇中分子量分布离散系数大于等于1.06，不饱和度大于0.05mmol/g以及伯羟基含量高；以DMC为催化剂做成的聚醚多元醇中分子量分布系数低，不饱和度低以及伯羟基含量为20％至30％。
压缩永久形变率
在规定的温度下，使泡沫材料试样在一定的时间内维持恒定的压缩变形，试验时间到达后，解除压缩，待试样恢复一段时间后，观察形变对试样厚度的影响。用试样的初始厚度与最终厚度之差与试样初始厚度之比的百分率表示泡沫的压缩永久变形。试样长50mm，宽50mm，高25mm。平行测试五个试样。试样放在压缩装置的两板之间，将试样压缩到厚度的50％或75％，维持此状态，放到70℃的烘箱中保持22小时，之后在1min内解除压缩，取出试样在状态调节同样的环境中放置30min，测定试样的最终厚度。
压缩永久变形公式：压缩永久变形＝[(试样初始厚度-试样最终厚度)/试样初始厚度]×100％
拉伸强度
拉伸强度指拉伸试样至断裂时所施加的最大拉伸应力，断裂伸长率是试样断裂时标距内试样的伸长百分率。拉伸试样应用哑铃型刀模冲切，试样横截面为长方形，不带表皮，厚度在10-15mm之间，应使试样的纵轴垂直于泡孔结构的主要方向，用两条间距为25mm或50mm的平行基准线标出标距。应测试五个试样。将试样夹在拉力试验机的夹具上进行拉伸试验，夹具移动速度为(500+50)mm/min,记录最大载荷及试样断裂前瞬间两基准线内侧间的距离。样品的拉伸强度及断裂伸长率按下式计算：拉伸强度＝断裂时载荷/试样原始截面积；断裂伸长率＝[(断裂标距-原始标距)/原始标距]*100％
舒适性采用40％的压缩硬度标准评价
软质泡沫的压缩硬度是指在规定条件下，对标准尺寸的泡沫试样进行规定的压缩试验时，泡沫块产生的抗缩力。在压缩试验中，试样尺寸为：100*1000*50mm，经状态调节的试样放在支撑板上，使压头缓缓下降，对试样施以5N的力，取该点为零点。使压头以(100+20)mm/min的速度压入试样厚度的70％，再以同样的速度卸载，重复加压、卸载四次，前三次作为预压。预压三次卸载后，记录第四次在厚度40％相应的应力值，该力值除以泡沫试样的受力面积即为该变形量下的压缩硬度。
一般来说，泡沫制品的压缩永久形变率越低，说明其受力压缩后越能恢复到原始厚度，使用耐久性越好；拉伸强度主要体现制品的抗撕拉性能，拉伸强度越高制品使用寿命越长；压缩硬度是指制品的支撑性能和舒适度，座椅泡沫的压缩硬度不能太小或者太大，一般在5-10kPa范围内，太小说明泡沫太软没有支撑性，而压缩强度太高说明制品很硬，舒适度差。
冷凝组分是指从汽车内饰材料中挥发出的有机物在玻璃上形成的冷凝现象，当照明不佳时雾化凝结物会对挡风窗的通视程度造成影响，另外这些有害物质还会影响车内人员的身体健康状况，要求是越低越好，是汽车内饰材料的必检项目。测试时试样放在起雾玻璃杯的底部，用压样环压好，起雾杯放在恒温油浴中，其上口平面为耐油、耐高温的氟橡胶密封圈，密封圈上面即为成雾载体，其上依次为滤纸和冷却板，试样在高温下，其中的挥发性物质会得到加速挥发，进而凝结在密封圈上被冷却板冷却的成雾载体上。称量冷凝前后的重量即可得出冷凝组分的值。
中国专利CN101987883公开了一种全MDI基高回弹聚氨酯泡沫塑料，其包括组分A和组分B，其中组分A包括：聚醚多元醇、聚合物多元醇、有机硅泡沫稳定剂、催化剂、交联剂和水；组分B包括：氨基甲酸酯改性MDI和脲基甲酸酯改性MDI。将组分A和组分B通过高压机或低压机混合后浇注成型，制备高回弹聚氨酯泡沫，其密度为38-45kg/m3，拉伸强度为101-123kPa，压缩永久形变率最低为7％，冷凝组分为0.4-0.7mg，压缩负荷最低为135.4N。
发明内容
本发明所要解决的技术问题之一是现有技术中聚氨酯泡沫塑料的压缩永久变形率高，拉伸强度低、舒适性差以及冷凝组分高的问题，提供一种低密度高性能高回弹泡沫塑料，本发明提供的密度高性能高回弹泡沫塑料，具有压缩永久形变率低、拉伸强度高、舒适度高和环冷凝组分低的优点；本发明所要解决的技术问题之二是提供一种与解决技术问题之一相对应的制备方法；本发明所要解决的技术问题之三是提供一种与解决技术问题之一相对应的应用。
为解决上述技术问题之一，本发明采用的技术方案如下：一种低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料，由组分A和组分B组成，组分A与组分B的重量百分比为100:50～80，其中：组分A以重量份数计包括聚醚多元醇A:60～100份，交联剂1～5份，无挥发性反应型催化剂1～5.5份，有机硅泡沫稳定剂0.3～1.5份，水2.5～6份；其中聚醚多元醇A的分子量为4000～15000，官能度为2～4，分子量分布离散系数为1.0～1.06，不饱和度≤0.05mmol/g，伯羟基含量为75-95％；组分B为异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体，是由二苯基甲烷二异氰酸酯与聚醚多元醇B聚合形成的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体。
上述技术方案中，优选地组分A中聚醚多元醇的分子量为5000～8000，官能度为2～4，分子量分布离散系数为1.0～1.04，不饱和度≤0.03mmol/g，伯羟基含量为85-95％。
上述技术方案中，优选地组分A中交联剂选自2至4官能度的脂肪醇或2至4官能度的脂肪醇胺中的至少一种；无挥发性反应型催化剂选自Dabco NE300、Dabco NE1050、DabcoNE1070、Dabco NE1091、Jeffcat Z-130、Jeffcat ZR-50中的至少一种；有机硅泡沫稳定剂选自低雾化硅油中的至少一种。
上述技术方案中，优选地组分B中二苯基甲烷二异氰酸酯选自4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、聚合二苯基甲烷二异氰酸酯或碳化二亚胺改性MDI中的至少一种；改性用聚醚多元醇B选自分子量为2000～15000，官能度为2～6，分子量分布离散系数为1～1.04，不饱和度≤0.03mmol/g，伯羟基含量为75～95％中的至少一种。
上述技术方案中，优选地组分B中二苯基甲烷二异氰酸酯选自4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯或聚合二苯基甲烷二异氰酸酯中的至少一种；改性用聚醚多元醇B选自分子量为2500～8000，官能度为2～3，分子量分布离散系数为1.01～1.04，不饱和度≤0.03mmol/g，伯羟基含量为80％～90％中的至少一种。
为解决上述技术问题之二，本发明采用的技术方案如下：低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备方法，包括如下步骤：
(1)组分A的配制：在容器A中按照重量百分比计算，加入聚醚多元醇A 60～100份，交联剂1～5份，无挥发性反应型催化剂1～5.5份，有机硅泡沫稳定剂0.3～1.5份，水2.5～6份，搅拌，制备得到组分A；
(2)组分B的制备：在容器B中按照重量百分比计算，加入二苯基甲烷二异氰酸酯：90～100份，预热至40～60℃，加入1～30份聚醚多元醇B，在氮气保护下在60～80℃反应2～4小时，得到异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体。
(3)低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备
将组分A和组分B通过高压或低压发泡机浇注于模具中，将模具温度设定在40～60℃，120～240秒开模从模具中取出，得到低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料，其中组分A与组分B的重量百分比为100:50～80。
为解决上述技术问题之三，本发明采用的技术方案如下：低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料在交通工具座椅中应用。
本发明中的制备方法中由于采用了分子量为4000～15000，官能度为2～4，分子量分布离散系数为1.0～1.06，不饱和度≤0.05mmol/g的聚醚多元醇A与交联剂、无挥发性反应型催化剂、有机硅泡沫稳定剂、水组成组分A，组分A与异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体的组分B反应得到低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料，该聚氨酯泡沫塑料具备压缩永久形变率低、拉伸强度高、舒适度高和冷凝组分低的优点，取得了较好的技术效果。
具体实施方式
表1原料清单
Figure BDA0002223142770000061
Figure BDA0002223142770000071
Figure BDA0002223142770000081
其中聚醚多元醇A1、聚醚多元醇A2、聚醚多元醇A3、聚醚多元醇A4、聚醚多元醇A5、聚醚多元醇A6是不同官能度、不同分子量、不同分子量分布离散系数、不同饱和度和不同伯羟基含量的聚醚多元醇A；其中聚醚多元醇B1、聚醚多元醇B2、聚醚多元醇B3、聚醚多元醇B4、聚醚多元醇B5、聚醚多元醇B6是不同官能度、不同分子量、不同分子量分布离散系数、不同饱和度和不同伯羟基含量的聚醚多元醇B。
实施例1
(1)组分A的配制：在容器A中按照重量百分比计算，加入聚醚多元醇A1：100份，二乙醇胺：1份，Dabco NE1091：2份，B-8734：1.5份，水：4份，搅拌30分钟，制备得到组分A；
(2)组分B的制备：在容器B中按照重量百分比计算，加入Lupranate MS：25份，Lupranate MIPS：37份，Lupranante M20S：38份，预热至50℃，加入20份聚醚多元醇B1，在氮气保护下在70℃反应3小时，得到异氰酸根含量为27.5％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体。
(3)低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备
将组分A和组分B通过高压或低压发泡机浇注于模具中，将模具温度设定在50℃，180秒开模从模具中取出，得到低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料，其中组分A与组分B的重量百分比为100:70。
实施例2至实施例5
实施例2至实施例5实验按照实施例1的各个步骤进行，唯一的区别为反应原料种类、原料配比、反应时间和温度不同，具体见表2，制备得到的低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料的产品质量检测数据如表4所示。
表2实施例1至实施例5中各组分的原料重量份数
Figure BDA0002223142770000091
Figure BDA0002223142770000101
实施例6至8及比较例1至3
实施例6至8以及比较例1至3按照实施例1的各个步骤进行，唯一的区别为反应原料种类、原料配比、反应时间和温度不同，具体见表3，制备得到的低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料产品质量检测数据如表4所示。
表3实施例6至实施例8及比较例1至3中各组分的原料重量百分比
Figure BDA0002223142770000111
Figure BDA0002223142770000121
表4实施例1至8和比较例1至3制备的低密度高性能高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备质量检测数据
Figure BDA0002223142770000122
Figure BDA0002223142770000131
备注：冷凝组分仪器测试检出限为0.2mg，ND表示未检出(测试结果小于检测限)。

Claims (5)

1.一种低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料，由组分A和组分B组成，组分A与组分B的重量百分比为100:50～80，其中：组分A以重量份数计，由以下组分组成：聚醚多元醇A:60～100份，交联剂1～5份，无挥发性反应型催化剂1～5.5份，有机硅泡沫稳定剂0.3～1.5份，水2.5～6份；其中聚醚多元醇A的分子量为5000～8000，官能度为2～4，分子量分布离散系数为1.0～1.04，不饱和度≤0.03mmol/g，伯羟基含量为85～95％；组分B为异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体，是由二苯基甲烷二异氰酸酯与聚醚多元醇B聚合形成的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体；其中，交联剂选自二乙醇胺或三乙醇胺中的至少一种；无挥发性反应型催化剂选自Dabco NE300、Dabco NE1050、Dabco NE1070、Dabco NE1091、JeffcatZ-130、Jeffcat ZR-50中的至少一种；有机硅泡沫稳定剂选自B-8715、B-8734、B-8736、B-8738中的至少一种；组分B中二苯基甲烷二异氰酸酯选自4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、聚合二苯基甲烷二异氰酸酯或碳化二亚胺改性MDI中的至少一种；改性用聚醚多元醇B选自分子量为2500～8000，官能度为2～3，分子量分布离散系数为1.01～1.04，不饱和度≤0.03mmol/g，伯羟基含量为80％～90％中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料，其特征在于无挥发性反应型催化剂选自Dabco NE300、Dabco NE1070、Dabco NE1091中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料，其特征在于组分B中二苯基甲烷二异氰酸酯选自4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯、2,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯或聚合二苯基甲烷二异氰酸酯中的至少一种。
4.权利要求1所述的低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备方法，包括如下步骤：
(1)组分A的配制：在容器A中按照重量百分比计算，加入聚醚多元醇A60～100份，交联剂1～5份，无挥发性反应型催化剂1～5.5份，有机硅泡沫稳定剂0.3～1.5份，水2.5～6份，搅拌，制备得到组分A；
(2)组分B的制备：在容器B中按照重量百分比计算，加入二苯基甲烷二异氰酸酯：90～100份，预热至40～60℃，加入1～30份聚醚多元醇B，在氮气保护下在60～80℃反应2～4小时，得到异氰酸根含量为22～33％的氨基甲酸酯改性的MDI预聚体；
(3)低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料的制备
将组分A和组分B通过高压或低压发泡机浇注于模具中，将模具温度设定在40～60℃，120～240秒开模从模具中取出，得到低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料，其中组分A与组分B的重量百分比为100:50～80。
5.权利要求1所述的低密度高回弹聚氨酯泡沫塑料在交通工具座椅中应用。
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