濾清器低密度聚氨酯密封膠工藝性能研究

周紅欣　梁梟　萬(wàn)小龍

摘要：研究了一種空氣濾清器用低密度聚氨酯密封膠發(fā)泡工藝及制品性能?？疾榱怂帧⒋呋瘎?duì)于發(fā)泡工藝、制品硬度的影響，測(cè)試了最終配方的力學(xué)性能。結(jié)果表明，當(dāng)水分添加量為0.12%～0.15%、催化劑A-8507添加量為1.25質(zhì)量份、催化劑A-8300添加量為0.3質(zhì)量份時(shí)，其發(fā)泡工藝能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用要求，制品外觀良好，邵氏C硬度為27～35，力學(xué)性能達(dá)標(biāo)，能夠滿(mǎn)足在不同氣候尤其是低溫時(shí)的應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：聚氨酯；濾清器；發(fā)泡工藝；硬度

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ436+.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2014）07-0050-04

空氣濾清器是汽車(chē)、輪船、施工機(jī)械、發(fā)電機(jī)組等內(nèi)燃機(jī)械必不可少的“三濾”之一。隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，特別是轎車(chē)工業(yè)的發(fā)展，其需求量越來(lái)越大。聚醚型低密度聚氨酯微孔彈性體作為空氣濾清器濾芯端蓋的密封材料在汽車(chē)工業(yè)廣泛應(yīng)用[1～4]。聚氨酯膠粘劑是由多元醇化合物（聚酯多元醇、聚醚多元醇）與多異氰酸酯組成，其分子結(jié)構(gòu)中含有多種極性和非極性基團(tuán)，對(duì)多種材料表面都具有較高的粘接強(qiáng)度[5～8]。同時(shí)由于聚氨酯體系形成的2相結(jié)構(gòu)，使其具有獨(dú)特的柔韌性和寬范圍的力學(xué)性能的變化，可同時(shí)保持較高的力學(xué)強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率及優(yōu)異的沖擊韌性，這是其他體系很難同時(shí)達(dá)到的[2]。相比傳統(tǒng)的濾清器端蓋密封材料，聚氨酯膠保證了濾清器良好的氣密性，而且改變了濾清器濾芯端蓋傳統(tǒng)的多工序生產(chǎn)方式，優(yōu)化了加工工藝[9]，使制品具有良好的耐高低溫性能、較低的毒性，順應(yīng)了車(chē)用材料的發(fā)展趨勢(shì)[10]。

但是，空氣濾清器聚氨酯密封膠在實(shí)際加工使用過(guò)程中，聚氨酯體系的反應(yīng)時(shí)間很大程度上影響著產(chǎn)品的加工性能，而且材料制品硬度大多對(duì)自然溫度比較敏感，尤其是氣溫較低時(shí)，硬度變大，影響其制品的安裝。本文針對(duì)空氣濾清器這一特點(diǎn)，研究了配方中水分、催化劑用量對(duì)發(fā)泡工藝的影響，并對(duì)其制品的硬度和力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇GE-360N、聚合物多元醇POP-H-45，工業(yè)級(jí)，中國(guó)石化集團(tuán)資產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理有限公司上海高橋分公司；改性異氰酸酯M-2821，交聯(lián)劑C-1509-2-2，表面活性劑C-1050，催化劑A-8507、T-8623、A-8300，工業(yè)級(jí)，上海合達(dá)聚合物科技有限公司；擴(kuò)鏈劑1，4-丁二醇（1，4-BDO），中國(guó)石化上海石油化工股份有限公司；交聯(lián)劑BL-9701，杭州白浪助劑有限公司；泡沫穩(wěn)定劑硅油DC-2525，美國(guó)氣體公司；黑色漿，寶美施化工（上海）有限公司（BOMEX）。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件和方法

（1）試驗(yàn)設(shè)備和條件控制

攪拌速度2 000 r/min；發(fā)泡杯：1 000 mL聚乙烯塑料杯和210 mL一次性塑料杯；模具A：金屬模具（15×15×5）cm3，模溫控制在（50±1）℃；金屬模具B：（15×15×1）cm3，模溫控制在（50±1）℃。稱(chēng)量誤差±1 g（聚醚）和0.01 g（催化劑、水和助劑）；計(jì)時(shí)誤差±1 s。

邵氏硬度計(jì)：橡塑微孔硬度計(jì)LX-C型，上海六菱儀器廠。

拉力機(jī)：DXLL-1000拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)，上海德杰儀器設(shè)備有限公司。

（2）發(fā)泡工藝測(cè)試方法

將組合A料和B料異氰酸酯M-2821按照一定的質(zhì)量比在料溫30 ℃下于發(fā)泡杯中攪拌混合均勻，倒入一次性塑料杯中和模具A中。觀察杯內(nèi)開(kāi)始發(fā)泡的時(shí)間，即為乳白時(shí)間；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，泡沫高度逐漸變高，直到泡沫高度不再增長(zhǎng)，即凝膠時(shí)間；將溢出杯口平面以上的發(fā)泡體沿杯口切除，稱(chēng)量杯內(nèi)剩余泡沫的質(zhì)量，按下式計(jì)算泡沫密度。自由泡沫密度=（實(shí)際質(zhì)量-杯子質(zhì)量）/杯子體積，單位是g/mL。

（3）硬度測(cè)試

將澆注于模具A中的混合料于10 min后取出，熟化88 h，按照GB/T 2411—2008，GB/T 2918—1998測(cè)試。

（4）力學(xué)性能測(cè)試

樣品制備：將攪拌均勻的混合料澆注于模具B中，控制密度在（560±10）g/mL，壓模制備，10 min后取出，熟化72 h后作為測(cè)試樣品。

采用DXLL-1000拉力實(shí)驗(yàn)機(jī)，按照GB/T 6344—2008測(cè)定其拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率和最大拉力。

最大強(qiáng)力由最大拉力按照以下公式換算而成：

最大強(qiáng)力=最大拉力×0.102 kgf/N。

2 結(jié)果與討論

2.1 配方

濾清器低密度聚氨酯密封膠配方見(jiàn)表1。

2.2 水分對(duì)制品性能的影響

表1配方中，水分作為化學(xué)發(fā)泡劑，和組分中的異氰酸酯反應(yīng)生成CO2作為發(fā)泡氣體來(lái)源，所以水分的多少直接影響產(chǎn)生氣泡的量，從而影響到制品的密度和硬度。表2 是固定催化劑用量：T-8623（0.035質(zhì)量份），A-8507（1.25質(zhì)量份），A-8300（0.45質(zhì)量份），水分對(duì)試樣性能的影響。

從表2可以看出，隨著水分添加量的增大，自由泡沫的密度呈下降趨勢(shì)。水的加入量越大，產(chǎn)生的氣體越多，其制品的密度越低。當(dāng)水分增大到0.18%以上時(shí)，制品表面出現(xiàn)瑕疵，會(huì)影響產(chǎn)品的使用。對(duì)水分添加量為0.10%的制品測(cè)試了其硬度，發(fā)現(xiàn)在溫度較低（7 ℃）時(shí)，邵氏C硬度為37，而水分添加量為0.15%和0.18%的制品邵氏C硬度則較低分別為31和25。由于增加水的用量，發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的氣體多，導(dǎo)致制品密度小，引起硬度降低。

2.3 催化劑對(duì)發(fā)泡工藝及制品性能的影響

聚氨酯化學(xué)中，通過(guò)異氰酸酯和含活潑氫化合物發(fā)生一系列反應(yīng)，得到需要的各種制品。有2類(lèi)很重要的反應(yīng)即異氰酸酯和水的反應(yīng)與異氰酸酯和聚醚多元醇的反應(yīng)，這2個(gè)反應(yīng)在制備過(guò)程中要保持動(dòng)態(tài)的平衡與匹配，才能制備品質(zhì)優(yōu)良的制品[11]。選用復(fù)合催化劑體系即：T-8623，A-8507和A-8300。T-8623錫類(lèi)催化劑（熱敏高效催化劑），其用量固定為0.035質(zhì)量份，考查了A-8507和A-8300催化劑用量對(duì)發(fā)泡工藝及制品性能的影響。圖1為固定催化劑A-8300為0.45質(zhì)量份，水分為0.15%，A-8507不同添加量對(duì)乳白時(shí)間和凝膠時(shí)間的影響。

從圖1 可以看出，乳白時(shí)間和凝膠時(shí)間均隨A-8507添加量的增加而縮短，當(dāng)A-8507的添加量由0.75質(zhì)量份增加到1.5質(zhì)量份時(shí)，乳白時(shí)間由20 s降低到11 s，凝膠時(shí)間由90 s降低到40 s?？紤]到工業(yè)應(yīng)用，乳白時(shí)間應(yīng)保持在13～15 s，選定A-8507的添加量為1.25質(zhì)量份比較合適。從圖中還可以看出，當(dāng)A-8507的添加量為1.25質(zhì)量份時(shí)，凝膠時(shí)間只有50 s左右，考慮到實(shí)際應(yīng)用的可操作性，還需要對(duì)凝膠時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變催化劑A-8300的用量對(duì)凝膠時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。表2和表3分別列出了A-8507添加量為1.25質(zhì)量份時(shí)，A-8300催化劑分別為0.45、0.3和0質(zhì)量份時(shí)的發(fā)泡工藝和制品性能。

結(jié)合表2和表3可以看出，A-8300催化劑用量對(duì)于體系的凝膠時(shí)間影響較大。當(dāng)A-8300的加入量為0.45質(zhì)量份時(shí)，體系的凝膠時(shí)間為51～52 s，當(dāng)加入量減少為0.30質(zhì)量份時(shí)，體系的凝膠時(shí)間延長(zhǎng)為57～60 s。當(dāng)不加A-8300的時(shí)候，體系的凝膠時(shí)間為69～70 s，而且水分添加量為0.18%時(shí)，制品的暗泡量減少，凝膠速度變慢，減少了暗泡的形成。

考慮到工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的可操作時(shí)間，催化劑A-8300加入量為0.3質(zhì)量份比較合適。

對(duì)催化劑A-8507加入量為1.25質(zhì)量份、A-8300加入量為0.3質(zhì)量份時(shí)的制品進(jìn)行了硬度測(cè)試，結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出，當(dāng)固定催化劑A-8300用量為0.3質(zhì)量份、A-8507為1.25質(zhì)量份、水分添加量為0.10%時(shí)，硬度較高，尤其當(dāng)溫度較低時(shí)，超出了濾清器聚氨酯密封膠的使用要求。而水分添加量為0.12%～0.15%時(shí)，硬度較低，可以滿(mǎn)足制品的工業(yè)應(yīng)用。

2.4 力學(xué)性能

對(duì)制品進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試，每個(gè)樣品測(cè)5組取平均值，結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，水分添加量為0.12%～0.15%，催化劑A-8507添加量為1.25質(zhì)量份，A-8300添加量為0.3質(zhì)量份時(shí)，制品力學(xué)性能能夠滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需要。

3 結(jié)論

（1）隨著水分含量的增大，制品密度降低；當(dāng)水分添加量為0.10%時(shí)，制品邵氏C硬度為37。當(dāng)水分低于0.18%，制品表面良好，大于0.18%時(shí)，制品表面有瑕疵。

（2）隨著催化劑A-8507添加量的增大，乳白時(shí)間和凝膠時(shí)間均明顯縮短。隨著催化劑A-8300添加量增大，乳白時(shí)間基本不變，凝膠時(shí)間明顯縮短。當(dāng)催化劑A-8507添加量為1.25質(zhì)量份，A-8300的添加量為0.3質(zhì)量份時(shí)，乳白時(shí)間為14 s，凝膠時(shí)間控制在58～60 s，能夠滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的可操作時(shí)間。

（3）制品硬度隨著水分添加量的增加而降低，當(dāng)水分添加量保持在0.12%～0.15%時(shí)，其制品的硬度和力學(xué)性能均能滿(mǎn)足制品的使用要求。

參考文獻(xiàn)

[1]陸冬梅，孫杰.我國(guó)聚氨酯膠粘劑的現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].中國(guó)膠粘劑，2004，6（13）：37-39.

[2]孫明明，張斌，張密林，等.室溫固化耐溫濾清器粘接劑的研制[J].化學(xué)與黏合，2005，27（5）：257-260.

[3]胡新林，劉明巖.汽車(chē)空氣濾清器用軟質(zhì)閉孔聚氨酯檢測(cè)方法改進(jìn)[J].研究與開(kāi)發(fā)，2010（1）：96-97.

[4]施獻(xiàn)生.濾清器工業(yè)六種專(zhuān)用膠的應(yīng)用[J].粘接，2005，26（1）：53-54.

[5]SANCHEZ-ADSUAR M S，PASTOR-BLAS M M，RTORREGROSA，et al. Relevance of polyurethane configuration on adhesion properties[J].Int J.Adhesion and Adhesives，1994，3（14）：193-199.

[6]GAHDE J，MIX R，KRUGER R P，et al. Adherence of liquid crystalline TDI–polyuerthane to steel[J].J.Adhesion，1996（58）：243-251.

[7]SUDARYANTO，TAKASHI NISHINO，SEIJI ASAOKA，et al.Incorporation of methyl groups into hard segments of segmented polyuerthane：microphase separation and adhesive properties[J].Int.J.of Adhesion & Adhesive，2001，21：71-77.

[8]劉玉田.聚氨酯結(jié)構(gòu)膠粘劑[J].世界橡膠工業(yè)，2002，29（3）：26-28.

[9]游汝豪，游光晨.聚氨酯橡膠輔助壓筋復(fù)合模設(shè)計(jì)[J].模具工業(yè)，2005（3）：18-19.

[10]賈潤(rùn)萍，黃茂松.中國(guó)汽車(chē)用聚氨酯材料發(fā)展方向[J].化學(xué)推進(jìn)劑與高分子材料，2012，10（1）：23-29.

[11]方禹生，朱呂民.聚氨酯泡沫塑料[M].第2版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1994：250.