聚氨酯發泡工藝以及種類

聚氨酯泡沫塑料（PU泡沫）的主要成分是聚氨酯，原料主要為多異氰酸酯和多元醇，通過加入適當的助劑——其中最重要的助劑便是與發泡相關的一系列發泡助劑——使得反應產物中生成大量泡沫，從而得到聚氨酯泡沫塑料產品。

 01 多異氰酸酯 聚氨酯泡沫塑料工業生產中最常用的多異氰酸酯有甲苯二異氰酸酯（TDI）、多亞甲基多苯基異氰酸酯（PAPI）、二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）以及液化MDI （L-MDI）等。 TDI在泡沫塑料行業主要用于生產聚氨酯軟泡。MDI的反應活性比TDI大，揮發毒性較小，某些液化改性MDI可作為TDI的替代品應用于聚氨酯軟泡的生產，如高密度聚氨酯軟泡和半硬泡或微孔聚氨酯彈性材料的制造。 PAPI又稱粗MDI、聚合MDI，典型的PAPI產品平均分子量 在30~400范圍，其NCO質量分數為31%~32%。低黏度PAPI的平均官能度一般在2.5~2.9之間。 在泡沫塑料領域，PAPI以及改性PAPI主要用于生產各種聚氨酯硬泡，少量用于生產高回彈軟泡、整皮泡沫、半硬泡。PAPI可與TDI混用，制造冷熟化、高回彈泡沫塑料。

 02 聚醚多元醇 用于生產聚氨酯軟泡的聚醚多元醇一般是長鏈、低官能度聚醚。軟泡配方中聚醚多元醇官能度一般為2~3， 平均分子量在2000~6500之間。在軟泡中用得最多的是聚醚三醇，一般以甘油 （丙三醇）為起始劑，由1，2-環氧丙烷開環聚合或與少量環氧乙烷共聚而得到，分子量一般在3000~7000。 其中高活性聚醚主要用于高回彈軟泡，也可用于半硬泡等泡沫制品。少量聚醚二醇可作為輔助原料，與聚醚三醇在軟泡配方中混合使用。低不飽和度、高分子量的聚醚多元醇可用于柔軟泡沫的生產，降低TDI的用量。 用于硬泡配方的一般是高官能度、高羥值聚醚多元醇，如此才能產生足夠的交聯度和剛性。硬泡聚醚多元醇的羥值一般為350~ 650mg KOH/g，平均官能度在3以上。一般的硬泡配方多以兩種聚醚混合使用，平均羥值在4000mg KOH/g 左右。 半硬泡配方一般會使用部分高分子量聚醚，特別是高活性聚醚多元醇和部分高官能度、低分子量的硬泡聚醚。

 03 聚酯多元醇 普通的低黏度脂肪族聚酯多元醇例如羥值為56mg KOH/g左右的聚己二酸二甘醇酯二醇，或略帶少量支鏈的聚酯多元醇，可以用于制造聚酯型聚氨酯軟泡。聚酯多元醇反應活性高。目前聚酯型PU塊狀泡沫僅用于服裝輔材等少量領域。 以二元酸（如苯酐、對苯二甲酸等）和小分子二醇（二甘醇等）或多元醇為原料合成的芳香族多元醇，其中高羥值的可用于生產聚氨酯硬泡和聚異氰脲酸酯硬泡。較低羥值的苯酐聚酯醇還可用于高回彈軟質泡沫塑料、整皮泡沫和半硬泡，以及非泡沫聚氨酯材料。

 04 聚合物多元醇 聚合物多元醇 （接枝聚醚多元醇）中含剛性的苯乙烯、丙烯腈均聚物及共聚物和接枝聚合物，這些乙烯基聚合物起類似有機“填料”的作用，提高承載性能。 聚合物多元醇可用于生產高硬度軟質塊泡、高回彈泡沫、熱模塑軟泡、半硬泡、自結皮泡沫、反應注射模塑（RIM）制品等，可減少制品厚度、降低泡沫密度而降低成本，還可增加泡沫塑料的開孔性，并賦予制品一定的阻燃性能。 聚脲多元醇（PHD分散體）也是一種特殊聚合物改性多元醇，可用于高回彈軟泡、半硬泡、軟泡，目前市場上產品很少。 還有一些特殊多元醇用于生產聚氨酯泡沫塑料，如植物油多元醇、松香聚酯多元醇、聚合物聚酯多元醇。

 05 發泡劑 水是聚氨酯材料生產中重要的發泡劑，它屬于化學發泡劑，通過與異氰酸酯反應生成的二氧化碳氣體，使黏彈性的泡沫物料膨脹、發泡、固化，得到各種聚氨酯泡沫塑料。 由于二氧化碳熱導率較高，并且滲透性較強，因此對于要求有高絕熱性能的硬質聚氨酯泡沫塑料配方，必須使用物理發泡劑。因為硬泡生產中的物料混合初期，在數十秒內產生大量的熱量，它需要發泡劑吸收部分熱量，同時發泡劑的氣化使泡沫膨脹發泡。 在聚氨酯軟泡生產中，為了獲得低密度的柔軟泡沫塑料，同時不能因水量過多而引起泡沫僵硬，一般需控制水的用量，添加適量的物理發泡劑作為輔助發泡劑。 CFC-11 （三氯一氟甲烷）在20世紀20年代末實現工業化生產。由于CFC-11具有不燃、沸點適宜、易于氣化、氣相熱導率低、毒性低、與聚氨酯原料相容性好、無腐蝕性、價格低、發泡工藝簡單等特點，是聚氨酯泡沫塑料生產中非常理想的發泡劑。 自20世紀60年代至90年代初，CFC-11廣泛用作聚氨酯泡沫塑料的發泡劑。但在20世紀70年代科學家發現散發在大氣中的CFC-11可緩慢破壞臭氧層，引起了全球環保學家的重視。目前作為CFC-11的替代物的主要發泡劑類型有HCFC （氫氯氟烴）、HFC （氫氟烴）、HC（烷烴）、液態CO2及水等。

 06 發泡助劑

 (1）泡沫穩定劑生產聚氨酯泡沫塑料時，泡沫穩定劑（或稱勻泡劑）是一個不可缺少的組分。它能增加各組分的互溶性，起著乳化泡沫物料、穩定泡沫和調節泡孔的作用。泡沫穩定劑屬于表面活性劑，有非硅系化合物以及有機硅化合物兩類。 目前使用的泡沫穩定劑大多是聚硅氧烷氧化烯烴嵌段共聚物，屬于聚醚改性有機硅表面活性劑，行業有時俗稱“硅油”。由于這類表面活性劑的結構組成變化范圍廣，使用效果良好，目前聚氨酯泡沫塑料行業已廣泛采用聚醚改性有機硅表面活性劑作為泡沫穩定劑。 

 （2）開孔劑獲得開孔聚氨酯泡沫塑料的方法： 采用合適的催化劑，使得凝膠反應和發泡反應達到所需的平衡，在泡沫物料上升到最高點時泡孔的壁膜強度不足以把氣泡封閉在內，氣體破壁而出，形成開孔的泡沫結構； 采用合適的聚醚多元醇原料，形成開孔泡沫； 當催化劑和主原料不足以解決問題時，采用少量的開孔劑，使得水發泡形成的脲分散，以獲得一定開孔率的泡沫塑料。 開孔劑是一類特殊的表面活性劑，一般含疏水性和親水性鏈段或基團，它的作用是降低泡沫的表面張力，促使泡孔破裂，提高聚氨酯泡沫塑料的開孔率，改善因閉孔造成的軟質、半硬質、硬質泡沫塑料制品收縮等問題。 通常的聚氨酯硬泡由于交聯密度高，發泡中泡孔壁膜強度大， 一般是閉孔的泡孔結構，但添加開孔劑，可制造開孔硬質聚氨酯泡沫塑料，用于消音、過濾等用途。 早期疏水性的液體石蠟、聚丁二烯、二甲基聚硅氧烷等可用作泡沫穩定劑和開孔劑，石蠟分散液、聚氧化乙烯也可用作開孔劑，目前多采用特殊化學組成的聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烴-聚硅氧烷共聚物等作為開孔劑。

 （3）軟化劑在高水量配方聚氨酯軟泡生產中采用軟化劑，可以抑制過多的脲基帶來的泡沫體僵硬問題。泡沫軟化改性劑具有軟化效果，采用軟化劑可以降低異氰酸酯用量進而降低泡沫硬度，用于軟質聚氨酯泡沫塑料的生產。商品軟化劑一般含有特殊聚醚、特殊多元醇和水等成分。