聚氨酯發(fā)泡技術(shù)汽車應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)探討

張慧瓊

摘 要：本文在探究聚氨酯材料市場(chǎng)潛力的基礎(chǔ)上針對(duì)性地分析了幾種聚氨酯發(fā)泡技術(shù)，在討論聚氨酯現(xiàn)有使用狀況的同時(shí)提出了關(guān)于聚氨酯發(fā)泡技術(shù)未來發(fā)展的諸多問題，旨在為我國(guó)聚氨酯材料的廣泛應(yīng)用做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：聚氨酯;發(fā)泡技術(shù);汽車應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TQ328.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）14-0208-02

1 聚氨酯材料的市場(chǎng)潛力

1.1 在汽車行業(yè)的應(yīng)用

隨著近年來汽車行業(yè)輕量化的快速大小，聚氨酯泡沫材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用范圍進(jìn)一步拓寬，軟泡、微孔彈性體等聚氨酯制品在汽車坐墊、靠背和扶手等部件中的應(yīng)用更加普遍。與此同時(shí)，儀表盤、遮光板、方向盤等汽車重要零部件中聚氨酯制品的應(yīng)用頻率也進(jìn)一步增強(qiáng)，為改良及優(yōu)化汽車性能做出了重要貢獻(xiàn)。就雙硬度甚至多硬度聚氨酯泡沫材料在汽車行業(yè)中的應(yīng)用而言，該類海綿塑料制品能有效根據(jù)人在汽車座椅上的不同接觸位置和不同功能作用提供程度不同的硬度支撐，以此方式保證汽車座椅安全性、科學(xué)性的同時(shí)強(qiáng)化對(duì)人體座位適宜性的重視與關(guān)注。此外，該類聚氨酯海綿泡沫材料的應(yīng)用還有利于改善汽車的外部結(jié)構(gòu)形式，增加汽車外形美的同時(shí)減少汽車內(nèi)部結(jié)構(gòu)中鑲嵌物的使用。

1.2 在建筑行業(yè)中的應(yīng)用

縱觀全球聚氨酯市場(chǎng)需求可知，建筑保溫材料占據(jù)了聚氨酯市場(chǎng)的絕大部分空間，其良好的保溫效果、節(jié)能效果、導(dǎo)熱效果和施工性能等為聚氨酯材料的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。而隨著我國(guó)建筑領(lǐng)域節(jié)能減排綜合性目標(biāo)的提出，聚氨酯產(chǎn)業(yè)迎來了更廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景，十二五節(jié)能減排方案的出臺(tái)在極大程度上擴(kuò)大了聚氨酯硬泡在建筑保溫領(lǐng)域的市場(chǎng)空間。和其他類型的建筑保溫材料或防水材料相比，聚氨酯硬泡材料具有一材多用的強(qiáng)大功效，兼具保溫防水、隔音減噪等諸多功能?，F(xiàn)階段，在我國(guó)所有建筑材料中聚氨酯硬泡材料是導(dǎo)熱系數(shù)與熱阻值性能較為優(yōu)良的建筑保溫材料，其連續(xù)性較高、致密性較強(qiáng)和高強(qiáng)度的閉孔結(jié)構(gòu)使得該類建筑保溫隔熱板擁有強(qiáng)大的阻水性能，優(yōu)良的自粘接性能使其能與屋面或外墻結(jié)構(gòu)等緊密粘結(jié)，從而使建筑工程結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能大幅度提升，為整體提升建筑工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量做鋪墊。

1.3 在家具行業(yè)中的應(yīng)用

聚氨酯材料不僅具有較高的強(qiáng)度、較好的韌性和較堅(jiān)韌的整體結(jié)構(gòu)，更具有生產(chǎn)效率較高與生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單等重要特點(diǎn)。同時(shí)，和木材結(jié)構(gòu)相比，聚氨酯材料具有高強(qiáng)度、低密度、可塑性強(qiáng)等重大優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于家具行業(yè)、裝飾裝修、工藝品生產(chǎn)等。一般而言，聚氨酯發(fā)泡材料主要用于家具行業(yè)，材料整體顏色、質(zhì)感和加工性能等在一定程度上趨近于楓木和橡木等高級(jí)木材，更在強(qiáng)度、阻燃、隔音和抗變形等眾多功能上優(yōu)于木質(zhì)材料。與此同時(shí)，聚氨酯材料所具備的低密度、輕質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性使得該類材料適用于各種復(fù)雜工藝雕花結(jié)構(gòu)。而隨著現(xiàn)代社會(huì)消費(fèi)者家具需求觀念和消費(fèi)理念的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變與聚氨酯材料制備工藝流程的優(yōu)化等，聚氨酯發(fā)泡材料正以每年50%左右的增長(zhǎng)速度迅猛發(fā)展，在家具行業(yè)擁有著廣闊的發(fā)展前景。

2 聚氨酯發(fā)泡主要技術(shù)及性能特點(diǎn)

2.1 全水發(fā)泡

全水發(fā)泡技術(shù)是利用水和異氰酸酯基發(fā)生一定化學(xué)反應(yīng)生成二氧化碳并形成聚氨酯泡沫的環(huán)境友好型發(fā)泡技術(shù)，主要用于聚氨酯軟塊泡、模塑軟泡及對(duì)保溫要求較低的硬泡等的工業(yè)生產(chǎn)。在全水發(fā)泡的技術(shù)過程中，水主要扮演擴(kuò)鏈劑的角色，在聚氨酯形成過程中發(fā)揮應(yīng)有的作用。在聚氨酯硬泡和模塑軟泡的工業(yè)生產(chǎn)過程中，相關(guān)工作人員常將聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑等混合，并在此基礎(chǔ)上添加異氰酸酯成分，進(jìn)而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)制得相應(yīng)的泡沫塑料。在此過程中，該技術(shù)主要存在以下三個(gè)方面的缺陷：首先是物理發(fā)泡劑的缺失使得整個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程粘度大幅度提升，組合料之間的體系粘度較大，不適用于外墻保溫或管道保溫等需要現(xiàn)場(chǎng)噴涂或澆筑成型的場(chǎng)合。其次，由聚醚多元醇、發(fā)泡劑、催化劑等組成的混合成分的儲(chǔ)存穩(wěn)定性很有可能受到水的影響，而鹵代烷磷酸酯等阻燃劑又會(huì)在一定程度上發(fā)生水解反應(yīng)生成酸性物質(zhì)造成胺類催化劑的失效，進(jìn)而大幅度降低全水發(fā)泡技術(shù)的發(fā)泡效率。最后，水的大量存在會(huì)大幅度增加異氰酸酯基團(tuán)的消耗量進(jìn)而增加成本，而該過程屬于放熱過程，并不適用于厚度較大材料的制備。

2.2 液態(tài)CO2發(fā)泡

液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)是指在高壓低溫環(huán)境下，液態(tài)的二氧化碳與聚氨酯發(fā)泡原料相混合，在壓力大幅度降低或溫度突然升高時(shí)使混合物內(nèi)的氣體達(dá)到過飽和狀態(tài)，引起氣泡成核，進(jìn)而使氣泡核周圍的微小分子不斷向氣泡核內(nèi)擴(kuò)散，使氣泡快速長(zhǎng)大并形成完整的泡沫體。通常而言，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)主要用于聚氨酯軟泡的生產(chǎn)，和水發(fā)泡軟泡技術(shù)相比，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)所得泡沫體手感更加柔軟。但與此同時(shí)，該泡沫體系的實(shí)際溫度會(huì)在化學(xué)反應(yīng)完成后大幅度降低，使聚氨酯泡孔停止膨脹，從而使泡孔發(fā)生一定程度的收縮，難以有效保證氣泡核快速形成過程的均勻分布，更難以保證氣泡在實(shí)際生長(zhǎng)過程的臨界尺寸出現(xiàn)前快速定型。因此，液態(tài)二氧化碳發(fā)泡技術(shù)的成型難度較大，僅適用于軟質(zhì)塊狀泡沫和模塑泡沫的工業(yè)生產(chǎn)，在其它領(lǐng)域的推廣應(yīng)用較為困難。

2.3 烷烴發(fā)泡

烷烴發(fā)泡技術(shù)主要是指利用烷烴發(fā)泡劑促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)從而生成硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的技術(shù)。一般情況下，烷烴發(fā)泡劑主要有環(huán)戊烷、異戊烷和丁烷等，但純正的丁烷和正戊烷等的單獨(dú)使用會(huì)在一定程度上影響化學(xué)反應(yīng)效果，因此，純正的丁烷或正戊烷等烷烴發(fā)泡劑常和環(huán)戊烷一起使用以保證其實(shí)際發(fā)泡效果。此外，戊烷類的烷烴發(fā)泡劑具有一定的可燃性，在工業(yè)生產(chǎn)車間累積到一定濃度時(shí)將存在爆炸危險(xiǎn)。

2.4 第三代發(fā)泡劑氫氟碳（HFC）發(fā)泡

眾所周知，氫氟碳化合物曾作為氯氟碳化合物替代技術(shù)的第三代發(fā)泡劑進(jìn)行大規(guī)模的推廣應(yīng)用，部分商業(yè)化的小批量生產(chǎn)更將其用于聚氨酯塑料制品的生產(chǎn)和制備。相比氯氟碳化合物，氫氟碳化合物發(fā)泡劑不含氯元素，其臭氧消耗潛值為零，反應(yīng)過程中不會(huì)有毒氣等釋放出，是重要的環(huán)境友好型發(fā)泡劑之一。同時(shí)，以氫氟碳化合物為發(fā)泡劑的泡沫體系整體流動(dòng)性能較好，脫模時(shí)間較短，使得泡沫塑料制品的整體質(zhì)量效果優(yōu)良，廣泛應(yīng)用于冰箱、建筑物復(fù)合板材生產(chǎn)及噴涂等。但與此同時(shí)，氫氟碳化合物的發(fā)泡劑并無閃點(diǎn)，其蒸氣氣壓較高，操作溫度通常要求在沸點(diǎn)之下，必須使用耐壓性能優(yōu)良的容器進(jìn)行儲(chǔ)存，對(duì)發(fā)泡設(shè)備需要進(jìn)行一定程度的改良優(yōu)化。此外，氫氟碳發(fā)泡劑的發(fā)泡價(jià)格整體較為昂貴，這在一定程度上影響了其規(guī)?；a(chǎn)和推廣應(yīng)用。

2.5 第四代發(fā)泡劑氟代烯烴（HCFO）發(fā)泡

烷烴類發(fā)泡劑的易燃性質(zhì)會(huì)使其在聚氨酯泡沫塑料行業(yè)的應(yīng)用受到限制，而HCFC-141b發(fā)泡劑的禁用、氫氟碳化合物發(fā)泡劑價(jià)格高昂等因素縮小了它的使用范圍，因此，有關(guān)工作人員正積極尋找第四代替代發(fā)泡劑，以促進(jìn)聚氨酯泡沫塑料行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。在此過程中，部分含氟烯烴的發(fā)泡劑被應(yīng)用到了下一代聚氨酯發(fā)泡的制備和研究中。一般而言，第四代發(fā)泡劑主要以三氯丙烯、LBA、六氟丁烯等為主要代表產(chǎn)品，這類發(fā)泡劑中含有一定數(shù)目的化學(xué)雙鍵，其在普通大氣環(huán)境中的衰退期較短，臭氧消耗潛值和GWP值等關(guān)系環(huán)保節(jié)能的重要指標(biāo)較低，是較為理想的發(fā)泡劑原料之一。

2.6 真空/減壓發(fā)泡技術(shù)

真空發(fā)泡技術(shù)也被人們稱作減壓發(fā)泡技術(shù)，主要是將發(fā)泡體系放置在一個(gè)相對(duì)較為密閉的負(fù)壓強(qiáng)環(huán)境下，以負(fù)壓環(huán)境降低聚氨酯泡沫生成過程中遇到的阻力值，從而達(dá)到充分填補(bǔ)模具、減少聚氨酯泡沫原始物料損耗和增加發(fā)泡劑使用效率的目的。進(jìn)一步探究真空發(fā)泡技術(shù)可知，該技術(shù)主要是利用一定壓力值的保護(hù)外殼包裹整個(gè)發(fā)泡模具，將保護(hù)外殼運(yùn)送到真空輸送帶或一定范圍的真空發(fā)泡區(qū)域中，在向保護(hù)外殼注射聚氨酯反應(yīng)混合物的前后一定時(shí)間內(nèi)向周圍密閉空間施加一定壓力，從而達(dá)到真空發(fā)泡技術(shù)所要求的模塑密度負(fù)壓值，保證模塑件在真空環(huán)境中直至模塑件的泡孔結(jié)構(gòu)完全穩(wěn)定。目前，陶氏化學(xué)聚氨酯真空發(fā)泡技術(shù)在海爾公司的工業(yè)生產(chǎn)中已投入使用，該技術(shù)可縮短聚氨酯發(fā)泡脫模時(shí)間，從而提升企業(yè)生產(chǎn)效率。

2.7 可逆吸收并釋放CO2的發(fā)泡劑

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，有關(guān)專家學(xué)者利用聚乙烯亞胺分子鏈上的大量氨基有效吸收了二氧化碳制成了聚乙烯亞胺二氧化碳加合物，并進(jìn)一步將其添加到了聚氨酯泡沫發(fā)泡劑組成成分中，有效利用了聚氨酯發(fā)泡化學(xué)反應(yīng)過程中釋放的大量反應(yīng)熱使聚乙烯亞胺二氧化碳化合物中的二氧化碳釋放出來，進(jìn)而將其作為發(fā)泡劑促進(jìn)聚氨酯發(fā)泡過程。而為進(jìn)一步強(qiáng)化該類發(fā)泡劑和聚氨酯發(fā)泡成分的相容性，有關(guān)工作人員在聚乙烯亞胺分子鏈上連接了一定的聚醚側(cè)鏈，在強(qiáng)化發(fā)泡劑和聚氨酯泡沫成分相容性的同時(shí)為制備密度較低的聚氨酯泡沫做出了重要貢獻(xiàn)。同時(shí)，該類方法制造的聚氨酯泡沫力學(xué)性能與常用泡沫性能相當(dāng)，其導(dǎo)熱系數(shù)與聚苯乙烯泡沫不相上下，并在一定程度上高于傳統(tǒng)聚氨酯泡沫，廣泛適用于絕熱性能要求較低的領(lǐng)域。但與此同時(shí)，可逆吸收并釋放二氧化碳的發(fā)泡劑也在一定程度上存在不足，發(fā)泡劑原料混合物的粘度較高，發(fā)泡劑的發(fā)氣量較少，不適用于制備硬度較低的泡沫。

3 聚氨酯發(fā)泡劑使用現(xiàn)狀及其在汽車行業(yè)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 使用現(xiàn)狀

聚氨酯泡沫材料由于其質(zhì)量較輕、隔熱性能良好和強(qiáng)度較高等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于保溫隔熱領(lǐng)域，在冰箱冰柜、建筑保溫隔熱板及管道保溫等行業(yè)得到了較大發(fā)展。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)聚氨酯泡沫材料的需求量在2014年就已達(dá)到570萬噸，并以每年5%左右的年增長(zhǎng)率快速上漲?，F(xiàn)階段而言，氟烴類的聚氨酯發(fā)泡劑占據(jù)了我國(guó)較大市場(chǎng)，該類發(fā)泡劑的大量使用在極大程度上破壞了我國(guó)現(xiàn)有環(huán)境，使得原有生態(tài)系統(tǒng)平衡被打破，不利于人與自然的和諧相處。因此，如何改良優(yōu)化現(xiàn)有聚氨酯發(fā)泡劑的各項(xiàng)性能，保證在有效應(yīng)用聚氨酯材料的同時(shí)不破壞周圍環(huán)境成為聚氨酯發(fā)泡劑研究的重要內(nèi)容。

3.2 汽車應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)

綜合探究聚氨酯材料在現(xiàn)代社會(huì)各行業(yè)的應(yīng)用及各類聚氨酯發(fā)泡技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)可知，聚氨酯制品在汽車座椅海綿部件中的發(fā)展逐步朝著舒適性強(qiáng)、環(huán)保性高、多樣性足和耐久性強(qiáng)等趨勢(shì)發(fā)展。雙硬度和硬度海綿的發(fā)展為人們?cè)谧尾煌瑓^(qū)域舒適性和安全性的保證奠定了基礎(chǔ);一體成型發(fā)泡技術(shù)則進(jìn)一步廣泛應(yīng)用于頭枕、扶手等小型發(fā)泡產(chǎn)品，強(qiáng)化了其整體性能;慢回彈海綿作為記憶海綿，其受力會(huì)變形后逐步恢復(fù)至原狀的性能為汽車座椅腰部支撐和頭枕表面的完整性做出了重要貢獻(xiàn)，廣泛應(yīng)用于汽車座椅的腰部支撐和頭部靠枕表面。此外，水平雙層發(fā)泡技術(shù)的進(jìn)一步完善和成熟為保證和強(qiáng)化汽車座椅表層的柔軟度適中和底層的硬度要求符合相關(guān)規(guī)定等提供了重要支撐。

4 結(jié)語

聚氨酯材料在人們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用較為廣泛，因此，進(jìn)一步改良優(yōu)化聚氨酯發(fā)泡技術(shù)，在明晰聚氨酯材料現(xiàn)有使用狀況的基礎(chǔ)上把握聚氨酯材料的未來發(fā)展趨勢(shì)，為更好地利用聚氨酯材料發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)或工業(yè)生產(chǎn)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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