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专业知识!有机硅表面活性剂在聚氨酯发泡材料中的应用

       有机硅表面活性剂是一类应用非常广泛的表面活性剂,根据其不同的结构、极性、亲水性等特征,广泛应用于造纸、印染、涂料、油墨、胶粘剂、聚氨酯发泡等等行业,多被用作流平润湿剂、消泡剂等功能性添加剂。本文简单介绍有机硅表面活性剂在聚氨酯发泡中的应用。

       有机硅表面活性剂是聚氨酯泡沫生产中不可或缺的添加剂之一,其品种丰富、分类精细,以满足各种不同性能要求的聚氨酯发泡产品。

       聚氨酯泡沫用有机硅表面活性剂俗称“硅油”,又称聚氨酯匀泡剂、聚氨酯泡沫稳定剂等。产品大多都是聚醚改性的有机硅氧烷结构,基本上以硅碳键型有机硅表面活性剂为主,以硅氧碳键改性有机硅表面活性剂为辅,如下图所示。


      在通式中,m、n 分别代表二甲基硅氧烷和甲基聚醚烷基硅氧烷链段的平均数;x、y 分别代表聚醚分子中环氧乙烷和环氧丙烷链段的平均数目;R 为碳原子数为 1~4 的烷烃、酰氧基、芳香基团或氢原子。


       介绍下聚氨酯泡沫用有机硅表面活性剂的作用。

       1、乳化增容作用。聚氨酯泡沫的主要原料为异氰酸酯、多元醇、催化剂、水、物理发泡剂、有机硅表面活性剂等助剂,各种原料间不能够完全互溶或者互不相溶。在有机硅表面活性剂的结构中,聚醚链段亲水,而有机硅链段疏水,通过这两段的共同作用,可以将体系中亲水性和疏水性相差较大的不同原料形成一种均一的体系。

       2、成核作用。按照经典的成核理论,如下式所示:

      低表面张力会减少形成气泡所需吉布斯自由能(⊿E),在外界能量(W 外)和气泡半径(r)一定的条件下,表面张力越低形成的气泡的数量(A)越多。有机硅表面活性剂可以有效降低体系表面的张力,形成更多的成核点,从而得到均匀细密的泡孔结构。


       3、稳泡和开孔作用。在发泡初期,水和异氰酸酯反应产生二氧化碳和聚脲,而大量的聚脲能够在发泡过程中使得泡沫开孔。有机硅表面活性剂可以对聚脲进行溶解,同时还可以将溶解后的聚脲均匀的分布在泡沫基体上,以确保在泡沫骨架形成之前稳定泡沫。不同结构的有机硅表面活性剂对聚脲的溶解性不同,选择适当品种可以控制聚脲的析出数量,从而控制开孔。

       再来谈谈有机硅表面活性剂在聚氨酯泡沫中的应用。

       1、在普通软质聚氨酯泡沫中的应用。

       普通软质聚氨酯泡沫属于开孔型泡沫,主要用于家私绵,如制做床垫、沙发垫和椅垫等,以及工业复合绵,如汽车内饰、鞋材的鞋帮、帽子和箱包等的衬里等。部分产品有阻燃性要求,制品的密度范围很广。在普通软质聚氨酯泡沫发泡过程中泡沫不能出现开裂、塌泡或者闭气、收缩等情况,最终泡沫的泡孔必须分布均匀。因此用于普通软质聚氨酯泡沫的有机硅表面活性剂需要具备很强的稳泡性能,防止塌泡;在发泡后期能够适当开孔,避免泡沫收缩。

       对于低密度产品(8~15kg/m3),因为配方中水用量多,需要选择高活性的有机硅表面活性剂。这类产品的稳泡性能强,对聚脲的溶解性很强,可以有效避免出现泡沫开裂情况;反之对于中高密度(25~55kg/m3)则需要选择中低活性的有机硅表面活性剂,防止因稳泡性能过强导致泡沫过度闭气而收缩。

       阻燃型有机硅表面活性剂可以使阻燃剂在泡沫中均匀分散,提高阻燃剂的使用效率,已在阻燃型软质聚氨酯泡沫中广泛使用。

       2、在硬质聚氨酯泡沫中的应用。

       硬质聚氨酯泡沫属于闭孔型泡沫,主要用于喷涂:如建筑外墙保温、屋面防水、冷库保冷、储罐保温等;板材:如建筑外墙保温、冷藏车、活动板房等;家电:如冰箱冰柜、热水器等;仿木:如家具、镜框、线条装饰板等;管道:如输油输气管道保温等;汽车:如汽车顶棚等,应用范围极其广泛。其中在家电和板材应用领域,对泡沫的导热系数及表面性能有很高的要求。在强成核性能和强稳泡性能的共同作用下,有机硅表面活性剂可以提高硬质聚氨酯泡沫的闭孔率,使得泡孔更加细密,从而降低导热系数。

       采用稳泡性能和乳化性能均衡的有机硅表面活性剂,配合适宜的多元醇,可以减少泡沫的表面缺陷,改善泡沫的表面性能。另外,不同种类的发泡剂需要选择不同乳化性能的有机硅表面活性剂来增强其在组合白料中的溶解性,保证组合白料体系的稳定。

        3、在高回弹聚氨酯泡沫中的应用。

        高回弹聚氨酯泡沫主要用于交通工具垫材,如汽车、飞机、摩托车、高铁等座椅坐垫、靠背、头枕,以及家用垫材,如沙发、床垫、家具用垫材等。

高回弹聚氨酯泡沫的回弹性好,舒适性好,泡孔均匀,满足环保要求(低VOC、低FOG)。针对不同的应用,高回弹聚氨酯泡沫的配方体系按照异氰酸酯类型可分为全TDI 体系,T/M 体系,全改性MDI 体系等。全 TDI 体系的稳定性差,发泡过程中易塌泡,需要选择稳泡型有机硅表面活性剂;全改性 MDI 体系的稳定性好,发泡容易闭孔,需要选择开孔型有机硅表面活性剂;T/M 体系根据 TDI和 MDI 的不同比例,选择稳泡型和开孔型两款有机硅表面活性剂搭配使用,在稳定泡沫的基础上实现开孔,同时满足泡孔均匀和泡沫舒适性。

       用于高回弹聚氨酯泡沫的有机硅表面活性剂分子量比较小,易挥发,从而造成 VOC 值升高。通过重新选择原材料,结构调整,提高有机硅活性剂的耐迁移能力,开发低 VOC、低 FOG 的有机硅表面活性剂,降低对泡沫的VOC 和FOG 的影响。

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