CFA-8125/Opteon 1100混合发泡对聚氨酯硬泡性能的影响*

2023-01-13毕戈华毕玉遂

聚氨酯工业 2022年6期

张辉毕戈华毕玉遂

(山东理工大学化学化工学院山东淄博255049)

硬质聚氨酯泡沫塑料(聚氨酯硬泡)作为规模化使用中综合性能最佳的保温材料，被广泛应用于管道、建筑、冰箱、冷库和水上材料等领域[1－2]。发泡剂是聚氨酯泡沫塑料生产过程中一种重要助剂。出于环保需要，聚氨酯硬泡行业所采用的HCFC类发泡剂正被逐步淘汰，HFC类发泡剂因其较高的全球变暖潜能值(GWP)使用受到限制[3－4]。目前，新一代HFO类发泡剂顺-1，1，1，4，4，4-六氟-2-丁烯(Opteon 1100)的消耗臭氧层潜能值(ODP)为零，GWP值8.9，具有良好的环境友好性和保温性能，但因其价格高昂，推广和使用受限[5－6]。山东理工大学聚氨酯化学发泡剂研发团队推出的新型绿色环保的化学发泡剂CFA系列，ODP和GWP值皆为零，其与异氰酸酯反应放出二氧化碳，且价格相对便宜[7－8]。

本实验以CFA-8125、Opteon 1100及水作为混合发泡剂，探究其不同配比对聚氨酯硬泡的工艺参数、压缩强度、尺寸稳定性、闭孔率和导热系数的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料

发泡剂CFA-8125，羟值1 750 mgKOH/g，淄博补天新材料技术有限公司；发泡剂Opteon 1100，科慕化学(上海)有限公司；聚醚多元醇4110、聚醚二醇210，山东蓝星东大有限公司；聚醚多元醇403，山东联创聚合物有限公司；磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)，青岛联美化工有限公司；泡沫稳定剂B8841、催化剂PC-5、PC-8，赢创特种化学(上海)有限公司；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。以上均为工业级。

1.2 主要仪器设备

Quanta 250型扫描电子显微镜，美国FEI公司；Ultra Foa-2-18paiG型开闭孔率分析仪，康塔克默仪器贸易有限公司；Gotech TCS-2000型力学性能试验机，高铁科技股份有限公司；EKO HC-074-200型热导率测试仪，北京五洲东方科技发展有限公司；AUW220D型电子天平，日本岛津公司；U400/80-220型高速搅拌机，上海精密仪器制造公司。

1.3 聚氨酯硬泡配方及制备

在保持多元醇、泡沫稳定剂、阻燃剂、复合催化剂、发泡剂水用量一致的条件下，改变其他两种发泡剂CFA-8125和Opteon 1100用量，控制聚氨酯泡沫样品密度基本一致(35～36 kg/m3)，设计了4个白料配方，见表1。

表1 聚氨酯硬泡A组分(白料)基础配方

按表1配方将聚醚多元醇、泡沫稳定剂、阻燃剂、复合催化剂、水和其他发泡剂倒入A塑料杯中(白料)搅拌均匀，按异氰酸酯指数1.1将黑料PM-200倒入B塑料杯中，等到两者温度稳定在室温20℃后，将黑白料混合用高速搅拌机3 000 r/min搅拌6 s后倒入300 mm×300 mm×30 mm的模具中，控制模具温度40℃，放置30 min取出，熟化24 h后测量泡沫性能。

1.4 性能测试

泡沫密度按GB/T 6343—2009测定；导热系数按GB/T 10295—2008测定；压缩强度按GB/T 8813—2020测定；闭孔率按GB/T 10799—2008测定；尺寸稳定性按GB/T 8811—2008测定。

2 结果与讨论

2.1 发泡工艺参数及泡沫密度

CFA-8125和Opteon 1100不同配比对A组分黏度及聚氨酯硬泡工艺参数的影响见表2。

表2 CFA-8125/Opteon 1100配比对泡沫工艺参数的影响

由表2可见，4个配方泡沫样品的密度基本相同，随着配方中CFA-8125用量的减少，Opteon 1100用量的增加，白料黏度降低，泡沫样品的起发时间、凝胶时间和结皮时间增加。这是因为CFA-8125作为一种化学发泡剂可以和黑料反应放出大量的热量，使反应体系温度增加，反应速率很快；配方4＃的黏度较低，Opteon 1100在起泡反应过程会吸收热量，反应速率较慢。用部分CFA-8125替代Opteon 1100可以加快反应速率。

2.2 压缩强度与闭孔率

CFA-8125和Opteon 1100不同配比对聚氨酯泡沫样品压缩强度和闭孔率的影响见表3。

表3 泡沫样品的压缩强度和闭孔率

由表3可见，4个配方的泡沫塑料闭孔率相差不大；从配方1＃到配方3＃，随着CFA-8125用量的减少，泡沫样品的压缩强度呈现递减的趋势。而CFA-8125发泡体系(1＃)和Opteon 1100发泡体系(4＃)的泡沫样品压缩强度相差不大。主要原因是CFA-8125可以和异氰酸酯反应，形成致密的交联网状结构，使压缩强度增强。

2.3 尺寸稳定性

两种发泡剂CFA-8125和Opteon 1100不同配比下的聚氨酯硬泡样品在高温(80℃，48 h)和低温(－20℃，48 h)条件下的尺寸稳定性见表4。

表4 CFA-8125/Opteon 1100配比对泡沫尺寸稳定性的影响

由表4可见，高温条件下，随着CFA-8125用量降低，泡沫样品的尺寸稳定性增加，其中配方3＃和4＃的尺寸稳定性较好且相近，两者都小于1%。低温条件下，4组泡沫样品的尺寸稳定性都较好。采用4.4份CFA-8125和12份Opteon 1100混合发泡的3＃泡沫，可以达到与4＃Opteon 1100发泡体系泡沫相近的尺寸稳定性。

2.4 泡孔结构及导热系数

对4组配方的聚氨酯泡沫样品进行电镜分析并计算其泡孔的平均孔径，放大倍率为200倍，结果见图1和表5。

由图1和表5可知，随着Opteon 1100用量增加，泡沫的泡孔直径变大。Opteon 1100体系泡沫的泡孔直径约为CFA-8125体系的150%。主要原因是CFA-8125产生二氧化碳发泡的同时与异氰酸酯发生交联反应，泡孔壁强度增加快，泡孔来不及胀大就凝胶，孔径较小，泡沫更细腻。

图1 CFA-8125/Opteon 1100不同配比泡沫的SEM图

表5 不同发泡剂配比对泡孔直径和导热系数的影响

聚氨酯泡沫的传热性能主要与泡内气体热传导、泡沫基体热传导和辐射热传导3个方面有关。由表5可知，随着CFA-8125用量减少，泡沫导热系数变大，两者混用都低于国标规定的23 mW/(m·K)。虽然CFA-8125发泡分解产生的泡内气体二氧化碳的气相热导率大于Opteon 1100的，但CFA-8125发泡体系泡孔较细腻，因此在发泡体系中用适量的CFA-8125替代Opteon 1100，导热系数上升不多。