聚氨酯是什么?关于聚氨酯的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:51:55

聚氨酯(简称PUR和PU)是由氨基甲酸酯连接的有机单元组成的聚合物。虽然大多数聚氨酯是热固性聚合物,加热时不会熔化,但是聚氨酯也有热塑性。

聚氨酯聚合物传统上并且最常见的是通过二聚或三聚异氰酸酯与多元醇反应聚合的。因为聚氨酯含有两种单体,它们一种接一种地交替聚合,所以它们被归类为交替共聚物。用于制备聚氨酯的异氰酸酯和多元醇平均每个分子含有两种或多种官能团。

聚氨酯用于制造高弹性泡沫座椅、硬质泡沫隔热板、微孔泡沫密封件和垫圈、耐用的弹性轮和轮胎(如过山车、自动扶梯、购物车、电梯和滑板轮)、汽车悬挂衬套、电气灌封化合物、高性能粘合剂、表面涂层和表面密封剂、合成纤维(如氨纶)、地毯衬垫、硬质塑料部件(如电子仪器)、避孕套和软管。

历史

聚氨酯泡沫,特写镜头

奥托·拜尔(Otto Bayer)和他在德国勒沃库森(Leverkusen, Germany)IG Farben的同事于1937年首次合成氨酯。 这种新的聚合物比现有的由烯烃聚合或缩聚制成的塑料有一些优势,并且不在华莱士·卡罗斯(Wallace Carothers)获得的聚酯专利范围内。早期的工作集中在纤维和柔性泡沫塑料的生产上,在第二次世界大战期间,聚氨酯泡沫塑料作为飞机涂层的应用规模有限。多异氰酸酯于1952年上市,1954年开始使用甲苯二异氰酸酯(TDI)和聚酯多元醇生产柔性聚氨酯泡沫塑料。这些材料也被用来生产硬质泡沫塑料、橡胶和弹性体。线性纤维由六亚甲基二异氰酸酯(hexamethylene diisocyanate,HDI)和1,4-丁二醇(BDO)生产。

1956年杜邦推出了聚醚多元醇,特别是聚(四亚甲基醚)二醇,巴斯夫和陶氏化学于1957年开始销售聚亚烷基二醇。聚醚多元醇比聚酯多元醇更便宜、更容易处理、更防水,因此变得更受欢迎。联合碳化物公司(Union Carbide)和美国孟山都公司(Monsanto)与拜耳公司(Bayer)的合资企业莫拜公司(Mobay)也开始生产聚氨酯化学品。1960年,该公司生产了45,000多吨柔性聚氨酯泡沫塑料。由于氟氯烷烃发泡剂的出现,廉价聚醚多元醇和亚甲基二苯基二异氰酸酯的存在,使得聚氨酯硬质泡沫塑料成为一种高性能绝缘材料。1967年,聚氨酯改性聚异氰脲酸酯硬质泡沫塑料问世,具有更好的热稳定性和阻燃性。在20世纪60年代,汽车内部安全部件,如仪表表盘和门板,是通过用半刚性的热塑性泡沫塑料层回填生产的。

1969年,拜耳在德国杜塞尔多夫展示了一辆全塑料汽车。这辆车的有些部件,如仪表表盘和车身面板,是用一种叫做注塑工艺(RIM)的新工艺制造的。在这种新工艺中,将反应物混合,然后注射到模具中。添加助剂,如磨碎的玻璃、云母和加工的矿物纤维,产生了增强的RIM (RRIM),这提高了弯曲模量、降低了热膨胀系数并具有更好的热稳定性。1983年,美国用这项技术制造了第一辆塑料车身汽车——庞蒂亚克·菲耶罗(Pontiac Fiero)。在RIM模具腔中预先加入玻璃纤维,即所谓的树脂注塑成型或叫结构注塑成型,可以进一步改善弯曲模量。

从20世纪80年代早期开始,水发泡微孔柔性泡沫塑料被用于制造汽车面板和空气过滤器密封件模制垫圈,代替聚氯乙烯。聚氨酯泡沫塑料已经在汽车领域得到广泛应用,目前已用于高温滤油器。

聚氨酯泡沫塑料(包括泡沫橡胶)的生产有时会使用少量发泡剂,以产生较低密度的泡沫、更好的缓冲/能量吸收或隔热效果。1990年代初,由于其对臭氧消耗的影响,《蒙特利尔议定书》限制了许多含氯发泡剂的使用,如三氯氟甲烷(CFC-11)。到 1990年代末在北美和欧盟已经广泛使用发泡剂如二氧化碳、戊烷、1,1,1,2-四氟乙烷(HFC-134a)和1,1,1,3,3-五氟丙烷(HFC-245fa)等发泡剂,但是许多发展中国家还在使用含氯发泡剂。

聚氨酯产品通常简称为“聚氨酯”,但不应与氨基甲酸乙酯混淆,氨基甲酸乙酯也称为尿烷。聚氨酯既不含氨基甲酸乙酯,也不是由氨基甲酸乙酯生产的。

开发非异氰酸酯基聚氨酯(NIPUs)是为了减轻与使用异氰酸酯合成聚氨酯相关的健康和环境问题。

化学

聚氨酯属于称为反应聚合物的化合物类别,其包括环氧树脂、不饱和聚酯和酚醛树脂。 聚氨酯是聚氨酯是通过每个分子含有两个以上异氰酸酯基的异氰酸酯(R−(N=C=O)n)和含有两个以上羟基的多元醇(R′−(OH)n)在催化剂或紫外线照射的情况下生成的。

聚氨酯的性能在很大程度上受异氰酸酯和多元醇种类的影响。长而有韧性的链段由多元醇提供,可以得到柔软而有弹性的聚合物。大量交联产生坚韧或刚性的聚合物。长链和低交联产生非常有拉伸性聚合物,具有大量交联的短链产生硬聚合物,而长链和中间交联产生可用于制造泡沫塑料的聚合物。聚氨酯中存在的交联意味着聚合物由三维网络组成,分子量非常高。在某些方面,一块聚氨酯可以被视为一个巨大的分子。这种聚氨酯的特点就是加热不会软化或熔化;它们是热固性聚合物。异氰酸酯和多元醇的选择,以及不同的添加剂和加工条件使得聚氨酯具有非常广泛的性能,使其成为如此广泛使用的聚合物。

异氰酸酯是非常活泼的材料。这使得它们可用于制造聚合物,但在处理和使用时也需要特别小心。芳香族异氰酸酯、二苯基甲烷二异氰酸酯或甲苯二异氰酸酯比脂肪族异氰酸酯,如六亚甲基二异氰酸酯或异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)更具活性。大多数异氰酸酯是双官能的,也就是说它们每个分子正好有两个异氰酸酯基团。一个重要的例外是聚合二苯基甲烷二异氰酸酯,它是具有两个、三个和四个或更多异氰酸酯基团的分子的混合物。在这种情况下,该材料的平均官能度大于2,通常为2.7。

多元醇本身就是聚合物,平均每个分子有两个或多个羟基。聚醚多元醇主要是通过环氧乙烷和环氧丙烷与合适的多元醇前驱体制备的。聚酯多元醇的制造类似于聚酯聚合物。用于制造聚氨酯的多元醇不是“纯”化合物,因为它们通常是具有不同分子量的相似分子的混合物和含有不同数量羟基,这就是为什么经常提到“平均官能度”。尽管工业级多元醇是复杂的混合物,但它们的成分得到了足够好的控制,足以生产出具有一致性能的聚氨酯。如前所述,多元醇链的长度和官能度对最终聚合物的性能有很大影响。用于制造刚性聚氨酯的多元醇的分子量为数百,而用于制造柔性聚氨酯的多元醇的分子量高达一万或更多。

叔胺催化的聚氨酯反应机理

广义聚氨酯反应

聚合反应生成含有氨基甲酸乙酯键-RNHCOOR’-的聚合物,并由叔胺(如1,4-二氮杂双环辛烷,也称为DABCO)和金属化合物(如二月桂酸二丁基锡或辛酸铋)催化。或者,它可以通过紫外线来发生反应。这通常被称为胶凝反应或简称胶凝。

如果水反应混合物中含有水(通常有意加入以制造泡沫),异氰酸酯与水反应形成脲键和二氧化碳气体,所得聚合物包含氨基甲酸乙酯和脲键。该反应被称为发泡反应,由叔胺(如双-(2-二甲基氨基乙基))醚催化。

第三个反应是异氰酸酯三聚反应,例如辛酸钾催化的反应,在制造绝缘硬质泡沫塑料中特别重要。

聚氨酯最理想的特性之一是能够变成泡沫塑料。制造泡沫塑料需要在聚氨酯聚合(稠化)发生的同时形成气体。这种气体可以是二氧化碳,也可以是异氰酸酯与水反应产生的,或者作为气体加入;它也可以通过煮沸挥发性液体来产生。在后一种情况下,聚合产生的热量使液体蒸发。液体可以是HFC-245fa (1,1,1,3,3-五氟丙烷)和HFC-134a (1,1,1,2-四氟乙烷),以及碳氢化合物如正戊烷。

水和异氰酸酯反应生成二氧化碳气体

胶凝和发泡之间的平衡对包括水和催化剂浓度在内的操作参数很敏感。水与异氰酸酯生成二氧化碳的反应,首先形成不稳定的氨基甲酸,然后分解成二氧化碳和胺。胺与更多异氰酸酯反应得到取代的尿素。水的分子量非常低,因此即使水的重量百分比可能很小,水的摩尔比例也可能很高,并且会产生大量的尿素。尿素在反应混合物中不容易溶解,倾向于形成主要由聚脲组成的单独的“硬链段”相。这些聚脲相的浓度和结构对聚氨酯泡沫塑料的性能有重要影响。

在使用前,对多元醇组分进行机械发泡或成核,可以在不添加发泡剂的情况下形成高密度微孔泡沫。

表面活性剂用于聚氨酯泡沫塑料中乳化液体成分,调节泡孔尺寸,稳定泡孔结构,以防止塌陷和表面缺陷。硬质泡沫塑料表面活性剂旨在产生非常细的泡孔和非常高的闭孔含量。柔性泡沫表面活性剂旨在稳定反应质量,同时最大化开孔含量,防止泡沫收缩。

使用特殊的三聚催化剂可以制造更硬的泡沫塑料,该催化剂在泡沫基质中产生环状结构,产生更硬、更热稳定的结构,称为聚异氰脲酸酯泡沫塑料。建筑行业使用的硬质泡沫塑料产品需要具有这种性能。

通过改变所用的催化剂和多元醇,精细控制粘弹性能产生记忆泡沫塑料,这种泡沫塑料在皮肤温度下比在室温下软得多。

泡沫可以是“闭孔”,即大部分原始气泡或气泡保持完整;也可以是“开孔”,即气泡已经破裂,但气泡的边缘足够坚硬以保持其形状。开孔型泡沫塑料手感柔软,允许空气流通,因此用于座垫或床垫,非常舒适。闭孔型硬质泡沫塑料用作隔热材料,例如在冰箱中。

微孔泡沫塑料是坚韧的弹性材料,用于汽车方向盘或鞋底的覆盖物。

原材料

制造聚氨酯的主要成分是二异氰酸酯和三异氰酸酯以及多元醇。添加其他材料可以辅助加工聚合物或对聚合物改性。

异氰酸酯

用于制造聚氨酯的异氰酸酯在每个分子上具有两个或多个异氰酸酯基团。最常用的异氰酸酯是芳香族二异氰酸酯、甲苯二异氰酸酯(TDI)和亚甲基二苯基二异氰酸酯(MDI)。

TDI和MDI通常比其他异氰酸酯更便宜,反应活性更强。工业级TDI和MDI是异构体的混合物,二异氰酸酯通常含有其他聚合物。它们用于制造柔性泡沫塑料(例如床垫的块状泡沫塑料或汽车座椅的模制泡沫塑料)、刚性泡沫塑料(例如冰箱中的绝缘泡沫)、弹性体(例如鞋底)等。异氰酸酯可以通过与多元醇部分反应或引入一些其它材料来改性,以降低异氰酸酯的挥发性(从而降低毒性),降低它们的凝固点,从而使操作更容易或改善最终聚合物的性能。

脂肪族和脂环族异氰酸酯的用量较少,最常用于涂料、颜色和透明度很重要的其他应用中,因为由芳香族异氰酸酯制成的聚氨酯在光照时会变暗。最重要的脂族和脂环族异氰酸酯是1,6-六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、1-异氰酸根-3-异氰酸根甲基-3,5,5-三甲基环己烷(异佛尔酮二异氰酸酯,IPDI)和4,4′-二异氰酸根-二环己基甲烷(H12MDI或氢化MDI)。

多元醇

多元醇可以是聚醚多元醇,由环氧化物与含活性氢的化合物反应制成的。聚酯多元醇由多羧基化合物和多羟基化合物缩聚而成。它们可以根据最终用途进一步分类。高分子量多元醇(分子量从2,000到10,000)用于制造更柔韧的聚氨酯,而较低分子量多元醇制造更坚硬的产品。

用于制备柔性聚氨酯的的多元醇使用低官能度引发剂,如二丙二醇(f = 2)、甘油(f = 3)或山梨醇/水溶液(f = 2.75)。用于制备刚性聚氨酯的多元醇使用高官能度引发剂,如蔗糖(f = 8)、山梨醇(f = 6)、甲苯二胺(f = 4)和曼尼希碱(f = 4)。使用中向引发剂中加入环氧丙烷和/或环氧乙烷,直到达到所需的分子量。添加顺序和每种环氧化物的量影响多元醇的许多性能,例如相容性、水溶性和反应性。仅用环氧丙烷制备的多元醇以仲羟基封端,其反应性比用环氧乙烷封端的多元醇反应性差,环氧乙烷含有伯羟基。接枝多元醇(也称为填充多元醇或聚合物多元醇)包含精细分散的苯乙烯——丙烯腈、丙烯腈或聚脲(PHD)聚合物实体,它们以化学方法接枝到高分子聚醚主链上,用于提高低密度高弹性泡沫塑料的承载性能,以及增加微孔泡沫塑料和铸造弹性体的韧性。引发剂如乙二胺和三乙醇胺用于制备低分子量硬质泡沫多元醇,由于主链中氮原子的存在,这些多元醇具有内在的催化活性。一类特殊的聚醚多元醇,聚(四亚甲基醚)二醇,由四氢呋喃聚合而成,用于高性能涂料、润湿和弹性体应用。

传统聚酯多元醇是基于原始原料,通过高纯度二元酸和二元醇(如己二酸和1,4-丁二醇)直接酯化而成。聚酯多元醇通常比聚醚多元醇更贵、更粘稠,但它们制造的聚氨酯具有更好的耐溶剂性、耐磨性和耐切割性。其他聚酯多元醇基于回收的原材料而制造。它们是通过回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或对苯二甲酸二甲酯(DMT)蒸馏塔底与乙二醇(如二甘醇)进行酯交换(醇解)来制造的。这些低分子量芳族聚酯多元醇用于硬质泡沫塑料,并为聚异氰脲酸酯(PIR)板材和聚氨酯喷涂泡沫绝缘材料带来低成本和优异的易燃性。

特种多元醇包括聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚丁二烯多元醇和多硫化物多元醇。这些材料用于弹性体、密封剂和粘合剂应用中,这些应用要求优异的耐候性和耐化学和环境侵蚀性。源自蓖麻油和其他植物油的天然油多元醇用于制造弹性体、柔性泡沫塑料和柔性模塑泡沫塑料。

氯三氟乙烯或四氟乙烯与含羟烷基乙烯基醚的乙烯基醚共聚产生氟化(FEVE)多元醇。通过FEVE氟化多元醇与多异氰酸酯反应制备的双组分氟化聚氨酯已经用于制造环境固化涂料和涂层。由于氟化聚氨酯含有高百分比的氟碳键,这是所有化学键中最强的键,氟化聚氨酯表现出抗紫外线、酸、碱、盐、化学物质、溶剂、风化、腐蚀、真菌和微生物侵蚀的能力。这些已经用于高性能涂料和油漆。

含磷多元醇可与聚氨酯基体化学键合,用作阻燃剂。这种共价键阻止有机磷化合物的迁移和浸出。

生物衍生材料

对可持续“绿色”产品的兴趣提高了人们对植物油衍生多元醇的兴趣。 用于制备聚氨酯多元醇的各种油包括大豆、棉籽、印楝籽和蓖麻。植物油的功能化的方法多种多样,可以改性成聚醚酰胺、聚醚、醇酸树脂等。用于制备多元醇的可再生来源可以是二聚脂肪酸或脂肪酸。一些生物基和不含异氰酸酯的聚氨酯利用多胺和环状碳酸酯之间的反应生产多羟基聚氨酯。

扩链剂和交联剂

扩链剂(f = 2)和交联剂(f ≥ 3)是小分子胺类和醇类,在聚氨酯纤维、弹性体、粘合剂和某些整体表层和微孔泡沫的聚合物形态中发挥重要作用。这些弹性体的性能来自于聚合物的硬段和软段的相分离,例如,聚氨酯的硬段在非晶态聚醚(或聚酯)软段之间起到交联作用。发生这种相分离是因为主要是非极性的低熔点软链段与极性的高熔点硬链段不相容。由高分子量多元醇形成的软链段是可移动的,通常以卷曲形式存在,而由异氰酸酯和扩链剂形成的硬链段是刚性的和不可移动的。因为硬链段共价连接到软链段,所以它们抑制聚合物链的塑性流动,从而产生弹性回弹性。在机械变形时,软段的一部分通过拉伸受到应力,而硬段在应力方向上对齐。硬链段的这种重新定向和由此产生的强氢键有助于高拉伸强度、伸长率和抗撕裂值。 扩链剂的选择也决定了弯曲、耐热和耐化学性。最重要的扩链剂是乙二醇、1,4-丁二醇(1,4-BDO或BDO)、1,6-己二醇、环己烷二甲醇和氢醌双(2-羟乙基)醚(HQEE)。所有这些二醇形成聚氨酯,聚氨酯相分离良好,形成明确的硬链段域,并且是可熔融加工的。除乙二醇外,它们都适用于热塑性聚氨酯,因为其衍生的双苯基氨基甲酸酯在高硬链段水平下会发生不利的降解。二乙醇胺和三乙醇胺用于挠性模塑泡沫塑料,以增强坚固性和增加催化活性。二乙基甲苯二胺广泛用于RIM,以及聚氨酯和聚脲弹性体配方中。

扩链剂和交联剂表
羟基化合物——双功能分子
摩尔.重量 密度(g/cm3) 熔点 ( C) 沸点 ( C)
乙二醇 62.1 1.110 −13.4 197.4
二甘醇 106.1 1.111 −8.7 245.5
三甘醇 150.2 1.120 −7.2 287.8
四乙二醇 194.2 1.123 −9.4 325.6
丙二醇 76.1 1.032 Supercools 187.4
二丙二醇 134.2 1.022 Supercools 232.2
三丙二醇 192.3 1.110 Supercools 265.1
1,3-丙二醇 76.1 1.060 −28 210
1,3-丁二醇 92.1 1.005 207.5
1,4-丁二醇 92.1 1.017 20.1 235
新戊二醇 104.2 130 206
1,6-己二醇 118.2 1.017 43 250
1,4-环己烷二甲醇
HQEE
乙醇胺 61.1 1.018 10.3 170
二乙醇胺 105.1 1.097 28 271
甲基二乙醇胺 119.1 1.043 −21 242
苯基二乙醇胺 181.2 58 228
羟基化合物——三官能分子
摩尔.重量 密度(g/cm3) 熔点( C) 沸点( C)
甘油 92.1 1.261 18.0 290
三羟甲基丙烷
1,2,6-己三醇
三乙醇胺 149.2 1.124 21
羟基化合物——三官能团分子
摩尔.重量 密度(g/cm3) 熔点( C) 沸点( C)
季戊四醇 136.2 260.5
N,N,N’,N’-四

(2-羟丙基)

乙二胺

胺化合物——双官能团分子
摩尔.重量 密度(g/cm3) 熔点( C) 沸点( C)
二乙基甲苯二胺 178.3 1.022 308
二甲基硫代甲苯二胺 214.0 1.208
催化剂

聚氨酯催化剂可分为碱性和酸性两大类。叔胺催化剂通过增强二醇亲核性发挥作用。烷基锡羧酸盐、氧化物和硫醇盐氧化物作为温和的路易斯酸,加速聚氨酯的形成。作为碱,传统的胺催化剂包括三亚乙基二胺(TEDA,也称为DABCO,1,4-二氮杂双环辛烷)、二甲基环己胺(DMCHA)、二甲基乙醇胺(DMEA)和双-(2-二甲基氨基乙基)醚,还有一种叫A-99的发泡催化剂。典型的路易斯酸性催化剂是二月桂酸二丁基锡。该过程对催化剂的性质高度敏感,也被称为自催化。

催化剂选择性的影响因素包含平衡三个反应:氨基甲酸酯(多元醇+异氰酸酯,或凝胶)的生成,尿素(水+异氰酸酯,或“吹”)的生成,或生成异氰酸酯三聚反应(例如,使用乙酸钾,形成异氰脲酸酯环)。现在已经开发了各种专用催化剂。

表面活性剂

表面活性剂用于改变发泡和非发泡聚氨酯的性能。它们采用聚二甲基硅氧烷-聚氧化烯嵌段共聚物、硅油、壬基酚乙氧基化物和其他有机化合物的形式。在泡沫中,它们用于乳化液体成分、调节泡孔尺寸和稳定泡孔结构,以防止塌陷和表面下的空隙。在非发泡聚氨酯中,它们用作空气释放剂和消泡剂,湿润剂,并用于消除表面缺陷,如针孔、桔皮和凹陷痕迹。

生产

聚氨酯是通过混合两股或多股液体流生产的。多元醇包含催化剂、表面活性剂、发泡剂等。这两种成分被称为聚氨酯体系,或简称为体系。异氰酸酯在北美通常被称为“A-侧”或仅仅是“iso”。多元醇和其他添加剂的混合物通常被称为“B侧”或“poly”。这种混合物也可以称为“树脂”或“树脂混合物”。在欧洲,“A侧”和“B侧”的意思是相反的。树脂共混添加剂可以包括扩链剂、交联剂、表面活性剂、阻燃剂、发泡剂、颜料和填料。聚氨酯可以通过改变异氰酸酯、多元醇或添加剂制成各种密度和硬度。

健康和安全

完全反应的聚氨酯聚合物是化学惰性的。美国职业安全与健康管理局(OSHA)或美国政府工业卫生学师协会(ACGIH)没有设定接触限值。它不受OSHA的致癌性监管。

明火测试。顶部,未经处理的聚氨酯泡沫燃烧剧烈。底部,经过阻燃处理。

聚氨酯聚合物是一种可燃固体,如果暴露在明火下会被点燃。火灾分解会产生大量一氧化碳和氰化氢,以及氮氧化物、异氰酸酯和其他有毒产品。由于材料的易燃性,它必须添加阻燃剂处理(至少对家具来说),但是几乎所有的阻燃剂都被认为是有害的。 加州随后发布了2013年第117号技术公告,允许大多数聚氨酯泡沫在不使用阻燃剂的情况下通过可燃性测试。绿色科学政策研究所表示:“尽管新标准可以在没有阻燃剂的情况下得到满足,但它并未禁止阻燃剂的使用。希望减少家庭接触阻燃剂的消费者可以在家具上寻找TB117-2013标签,并与零售商核实产品不含阻燃剂。”

液态树脂混合物和异氰酸酯可能含有有害或受管制的成分。异氰酸酯是已知的皮肤和呼吸增敏剂。此外,喷涂聚氨酯泡沫中存在的胺、乙二醇和磷酸盐也存在风险。

接触聚氨酯喷涂泡沫(如异氰酸酯)过程中或之后可能释放的化学品对人体健康有害,因此在此过程中和之后需要采取特殊的预防措施。

在美国,可以通过聚氨酯制造商协会(PMA)和聚氨酯工业中心(CPI)等组织以及聚氨酯系统和原材料制造商找到更多健康和安全信息。法规信息可以在联邦法规第21条(食品和药品)和第40条(环境保护)中找到。在欧洲,健康和安全信息可从ISOPA、欧洲二异氰酸酯和多元醇生产商协会获得。

制造

制造聚氨酯成品的方法从小型手动浇注件操作到大型,大容量的料桶和板材生产线。不管最终产品如何,制造原理都是一样的:以特定的化学计量比计量液态异氰酸酯和树脂混合物,将它们混合在一起,直到获得均匀的混合物,将反应液体分配到模具中或表面上,等待其固化,然后脱模完成的零件。

配料装置

尽管成本可能很高,但对于需要稳定输出成品零件的小批量生产操作,最好使用计量混合或分配单元。配料装置由物料储存(日)罐、计量泵、混合头和控制单元组成。通常,为了提高混合效率、固化速度和降低工艺可变性,会增加调节或加热-冷却单元来控制材料温度。分配设备部件的选择取决于注射尺寸、产量、材料特性(如粘度和填料含量)以及过程控制。物料日槽的尺寸可以是单加仑到数百加仑,可以直接由桶、中型散货箱(中间散装容器,如装运箱)或散装储罐供应。它们可能包含液位传感器、调节夹套和混合器。泵的尺寸可以被设计成每秒一克至每分钟数百磅。它们可以是旋转泵、齿轮泵或柱塞泵,也可以是专门硬化的喷枪泵,用于计量含有高研磨性填料的液体,如碎玻璃纤维或锤磨玻璃纤维和硅灰石。

  • 一种高压聚氨酯分配装置,显示控制面板、高压泵、物料日槽和液压驱动装置。

  • 高压混合头,显示简单的控制。正视图。

  • 高压混合头,显示材料供应和液压致动器管线。后视图。

泵可以驱动低压(10至30bar,1至3Mpa)或高压(125至250bar,12.5至25.0MPa)配料系统。混合头可以是简单的静态混合管、旋转元件混合器、低压动态混合器或高压液压驱动直接冲击混合器。控制单元可以具有基本的开/关和分配/停止开关,以及模拟压力表和温度计,或者可以通过流量计进行计算机控制,以电子方式校准混合比、数字温度和液位传感器,以及全套统计过程控制软件。配料设备的附加装置包括成核或气体注射单元,以及在补充添加剂包中添加颜料或计量的第三或第四物料流能力。

  • 装有校准槽的低压混合头,显示材料供应和空气促动器线路。

  • 低压混合头零件,包括混合室、锥形混合机和安装板。

  • 5加仑(20升)日用储罐,用于供应低压分配装置。

工具作业

与现场浇注、圆桶和纸板以及涂层应用不同,零件的生产需要工具来容纳和形成反应液体。模具材料的选择取决于预期的使用寿命、成型压力、柔韧性和传热特性。

RTV硅树脂用于加工各种零部件。它通常用于模制硬质泡沫部件,需要在底切周围拉伸和剥离模具的能力。RTV有机硅工装传热性能差。高性能、柔性聚氨酯弹性体也以这种方式使用。

环氧树脂、填充金属的环氧树脂和涂覆金属的环氧树脂用于加工各种零部件。它通常用于模制柔性泡沫坐垫和座椅、整体蒙皮和微孔泡沫衬垫,以及浅吸式RIM挡板和蒙皮。环氧模具的传热性一般;金属填充和金属涂覆环氧树脂的传热特性良好。铜管可以结合到工具主体中,允许热水循环并加热模具表面。

铝被用于加工各种零部件。它通常用于模制微孔泡沫衬垫和铸造弹性体零件,并被碾磨或挤压成型。

镜面抛光不锈钢用于加工,使成品表面光滑。金属模具的传热特性非常好。

最后,模制或研磨的聚丙烯加工成一种小型工具用于模制垫圈生产。代替许多昂贵的金属模具,低成本的塑料工具可以由单个金属母模形成,这也允许更大的设计灵活性。但是聚丙烯模具传热性能差,在配方过程中必须加以考虑。

应用程序

2007年,全球聚氨酯原料消费量超过1200万公吨,年均增长率约为5%。到2020年,聚氨酯橡胶在全球市场上产生的收入预计将增至约800亿美元。

可见光的影响

聚氨酯,尤其是那些用芳香族异氰酸酯制成的聚氨酯,含有与光相互作用的发色团。这在聚氨酯涂料领域尤其令人感兴趣,其中光稳定性是一个关键因素,也是脂肪族异氰酸酯用于制备聚氨酯涂料的主要原因。当使用芳香族异氰酸酯制成的聚氨酯泡沫塑料暴露在可见光下时,它会变色,从灰白色变成黄色再变成红棕色。人们普遍认为,除了发黄之外,可见光对泡沫性能几乎没有影响。 在特别的情况下,如果发黄发生在大泡沫的外部,那么外部性能的恶化对泡沫本身的整体体积性能几乎没有影响。

据报道,暴露在可见光下会影响一些物理性能测试结果的可变性。

高能紫外线辐射促进泡沫中的化学反应,其中一些化学反应对泡沫结构有害。

生物降解

厄瓜多尔的两种真菌拟盘多毛孢(Pestalotiopsis)能够在有氧和无氧条件下生物降解聚氨酯,例如在填埋场底部发现的聚氨酯。据报道,博物馆中的聚氨酯物品会降解。聚酯型聚氨酯比聚醚型聚氨酯更容易被真菌生物降解。