白炭黑漿料在客車車身聚氨酯全水噴涂泡沫中的應用

李 寧 董火成 孫嘉鵬 趙修文 申少偉

(黎明化工研究設計院有限責任公司國家反應注射成型工程技術研究中心 河南 洛陽 471000)

在客車生產中，為達到穩(wěn)固車身、降低噪音和隔熱保溫目的，車輛側板、門板、頂棚內需填充聚氨酯泡沫材料[1]。目前國內在車身使用的泡沫材料工藝主要有傳統粘貼泡沫片材(貼“棉”)和全水噴涂兩種。全水噴涂泡沫較傳統貼“棉”優(yōu)點突出:(1)采用全水發(fā)泡，全球變暖潛能值極低，符合環(huán)保要求[2]；(2)泡沫密度小(8～10 kg/m3)，輕質節(jié)能；(3)具有較高的開孔率，吸聲效果好；(4)生產效率高?；谝陨现T多優(yōu)點，其已成為新一代車身保溫、填充的高端材料[3]。

然而，由于全水噴涂泡沫配方中水發(fā)泡劑需過量，但水在聚醚多元醇中溶解度較差，導致在應用過程中聚醚組分易分層，在噴涂施工過程中易出現料液流掛現象。聚醚組分因存在水分子的氫鍵作用，導致水以微滴的形式存在于體系中，無法以分子形式分散到發(fā)泡組合物中，發(fā)泡過程中易局部過度反應和發(fā)泡，造成泡孔的分布和尺寸不均勻[4]，出現內部缺陷。本研究通過添加自制白炭黑漿料，可有效改善以上問題。

1 實驗部分

1.1 主要原料和設備

聚合MDI(牌號Suprasec5005)，美國Huntsman公司；聚醚三醇EP-3600(羥值26～30 mgKOH/g)、DV125(羥值440～460 mgKOH/g)，山東藍星東大化工有限責任公司；聚合物多元醇 CHP-H45(羥值19～23 mgKOH/g)，江蘇長華化學科技股份有限公司；阻燃劑TCPP、TCEP，浙江淳安助劑廠；催化劑PT306、PT308、A-1，常州市瑞澳添加劑有限公司；有機硅勻泡劑L6900、L6863，邁圖公司；硅烷偶聯劑KH-560，道康寧化學有限公司；白炭黑，廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司。以上均為工業(yè)級。去離子水，自制。

SF型智能分散砂磨機，深圳精達儀器廠；DF20/35型雙組分噴涂機，北京東盛富田有限公司；101A-3型電熱鼓風恒溫干燥箱，上海市崇明實驗儀器廠；AWA6290T吸聲測量系統，杭州愛華儀器有限公司；用于模擬客車車身噴涂生產線的600 mm×400 mm×2 mm鋁板2塊、500 mm×300 mm×30 mm鋁框2個，自制。

1.2 聚醚組分的制備

將50.0 g白炭黑和100 mL偶聯劑KH-560分散于1 000 g的去離子水中，2 600 r/min高速攪拌40 min，得到白炭黑漿料。聚醚組分配方見表1。

根據表1配方稱取相應的聚醚三醇、聚合物多元醇、阻燃劑、催化劑和勻泡劑，放入開口容器中。在25～40℃下攪拌30 min后，邊攪拌邊添加自制白炭黑漿料和去離子水，添加完后25～40℃再攪拌60 min，得到聚醚組分。其中，根據白炭黑漿料的添加量(質量分數)0、0.13%、0.26%、0.39%、0.52%標記為1?！?＃的5組樣品。

表1 聚醚組分配方

1.3 噴涂聚氨酯泡沫的制備

以聚合MDI作為異氰酸酯組分，使用DF20/35型噴涂機制備噴涂泡沫。工藝參數如下:聚醚組分和異氰酸酯組分料溫均為55℃，壓力均為7.6 MPa；兩個組分體積比1∶1?；臑樽灾其X板和鋁框，模擬客車涂裝生產線進行噴涂發(fā)泡。

1.4 分析與測試

聚醚組分黏度按GB/T 12008.7—2010進行測定。聚醚組分相容性測試方法:稱取聚醚組分800～900 g裝入1 L廣口瓶中，靜置40 d后觀察料液的分層情況。

噴涂施工過程評價方法:鋁板、鋁框懸掛高處或豎立放置，模擬客車涂裝線用噴槍進行噴涂。觀察噴槍口料液的霧化效果及槍口的殘存物料，記錄起發(fā)時間，觀察起發(fā)過程有無滴落流掛現象。

泡沫收縮、內部缺陷的評價方法:混合料液噴涂在自制鋁板和鋁框上，發(fā)泡完成，常溫放置30 min后，觀察泡沫與鋁框立面之間有無脫離，如有脫離但縫隙寬度≤0.6 mm，判定泡沫無收縮；將泡沫體破壞，如果發(fā)現其內部存在體積≥40 cm3的孔洞即計為有一處內部缺陷。材料從鋁板和鋁框剝離后，采用百格法測試材料的附著面積。

吸聲系數按GB/T 18696.2—2002中的第2部分傳遞函數法進行測試，試樣直徑100 mm，厚度30 mm，頻率范圍 50～6 300 Hz。

泡沫材料密度按GB/T 1033—2008進行測定；氧指數按GB/T 2406.2—2009進行測定；水平燃燒按GB 8410—2006進行測定；導熱系數按 GB/T 10294—2008進行測定。

2 結果與討論

2.1 白炭黑漿料添加量對聚醚組分黏度的影響

白炭黑具有增稠觸變性，對液體介質的黏度影響較大，表2為不同配方體系下聚醚組分的黏度。

表2 白炭黑漿料添加量對聚醚組分黏度的影響

由表2可知，隨著白炭黑漿料添加量的增加，聚醚組分的黏度明顯增加，這是因為白炭黑聚集體可通過表面羥基間的氫鍵連接在一起，形成三維的二氧化硅網絡，料液被包裹在二氧化硅網絡結構中，這種結構能提高體系的中低剪切黏度。

2.2 白炭黑漿料添加量對聚醚組分相容性的影響

聚醚組分中的高水量易引起油水分離，整個體系相容性差，在存儲過程中易分層，影響施工。圖1為不同白炭黑漿料添加量下聚醚組分靜置40 d后的分層情況。

圖1 不同白炭黑漿料添加量下聚醚組分的分層情況

由圖1可見，靜置40 d后，1＃樣品有明顯的分層；2＃樣品有少量上清液析出但不明顯；3＃、4＃、5＃樣品無明顯分層。這是因為白炭黑表面含有大量的羥基，親水性較好。漿料中添加的硅烷偶聯劑KH-560可對二氧化硅改性，部分硅醇鍵與KH-560反應生成了共價鍵，KH-560的另一端環(huán)氧基團親油性較好，白炭黑漿料發(fā)揮了“橋梁”作用，阻止了體系的油、水界面形成，同時觸變效應使料液黏度變大，也減緩了分層現象的發(fā)生。

2.3 白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響

客車內噴涂多為頂面和立面噴涂施工，易產生流掛、流痕甚至滴落情況。若料液大量滴落，將影響工人施工，并造成物料浪費。所以噴涂施工過程要求液料霧化效果好、起發(fā)速度適中、無滴落流掛、噴槍口處殘留料少。表3為白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響，其中的實驗編號與使用聚醚組分樣品編號一致。

表3 白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響

由表3可知，5個配方起發(fā)時間都為3～4 s，發(fā)泡速度適中，沒有明顯區(qū)別；1＃有明顯的流掛滴落現象，3＃、4＃、5＃均未出現滴落，說明白炭黑漿料可解決流掛滴落問題。這是因為在該體系中白炭黑有效發(fā)揮了觸變劑作用。但隨著白炭黑漿料添加量的增加，聚醚組分黏度明顯增加，導致4＃、5＃聚醚組分和異氰酸酯組分混合霧化效果變差，槍口殘留物料變多。5＃施工時，經常發(fā)生堵槍現象，需反復清理槍口，影響了施工效率。綜上所述，3＃聚醚配方體系白炭黑漿料質量分數0.26%時，施工效果較好。

2.4 對泡沫收縮、內部缺陷及附著面積的影響

客車車身經噴涂施工后，客車廠一般驗收標準有:泡沫無明顯收縮，整車泡沫內部缺陷個數≤5個，泡沫材料在鋁板上的附著面積≥90%。

圖2為白炭黑漿料的添加量對材料收縮、內部缺陷及鋁板上附著情況的圖片。

圖2 白炭黑漿料對泡沫材料收縮、泡沫內部及鋁板上附著面積的影響

由圖2可見，以上配方所制備的泡沫材料內部均無缺陷。1＃泡沫在鋁板框表面無附著；2＃配方泡沫少量附著在鋁板框上；3＃、4＃、5＃泡沫大量附著在鋁板框上。附著面積測試結果如表4所示。

表4 白炭黑漿料添加量對泡沫材料附著面積的影響

由表4 可知，3＃、4＃、5＃配方體系下的泡沫材料附著在鋁板框上的面積均超過了90%。這是因為白炭黑漿料中含有硅羥基，可與鋁板表面含有結晶水的金屬氧化物相互作用，且KH-560水解后可生成硅醇基，分子鏈中含有強極性環(huán)氧基團，均可有效提高泡沫材料的附著力。

5＃配方體系下的泡沫在人為破壞前出現了明顯的收縮，與鋁板框脫開了一條裂縫，而 1＃、2＃、3＃、4＃均緊貼鋁板框。這是因為白炭黑在聚氨酯泡沫核化過程中起到成核劑的作用，增加了氣泡濃度，致使體系內泡體密堆積，孔徑減小，可有效改善泡孔結構，使泡孔更細膩、均勻。隨著白炭黑漿料添加量的增加，不規(guī)則泡孔數量逐漸減少，孔徑變小。但白炭黑漿料用量過大時，如5＃配方，會導致泡沫閉孔收縮。

2.5 白炭黑漿料添加量對材料吸聲性能的影響

聚氨酯泡沫為多孔材料且孔洞相互貫通，其綜合了一般多孔型材料和柔性材料的阻尼吸聲機理的特性，具有較好的吸聲、隔聲性能。圖3為白炭黑漿料添加量對泡沫材料吸聲性能的影響。

圖3 白炭黑漿料添加量對泡沫材料吸聲性能的影響

由圖3可知，在低頻50～500 Hz范圍，5條吸聲曲線基本一致，吸聲系數均小于0.2，吸聲效果較差。在中頻500～1 600 Hz范圍，泡沫的吸聲效果都在逐漸變好，添加了白炭黑漿料的2＃、3＃、4＃泡沫的吸聲系數高于1＃的，是因為白炭黑的勻泡效果使泡孔更細膩、均勻，從而提高了材料的吸聲系數；而5＃因為泡沫存在較多閉孔，部分空隙間的連通中斷，導致吸聲能力下降；在高頻1 600～6 300 Hz范圍，泡沫材料吸聲系數呈波浪型，時高時低，但均高于0.4，而3＃、4＃泡沫材料的吸聲性能更優(yōu)，吸聲系數均在0.5以上，說明對于高頻聲波這兩種泡沫材料整體吸聲效果較好。

2.6 泡沫材料性能測試

綜合分析評價，3＃聚醚組分配方較好，故對3＃配方所制備的泡沫材料進行性能測試，結果見表5。

表5 泡沫材料性能測試結果

由表5可知，所制備泡沫材料密度小，出方量高；阻燃性好，可離火自熄；導熱系數小，隔熱效果好。

3 結論

(1)白炭黑漿料在聚醚組分中的添加質量分數0.26%時，可有效解決聚醚組分易分層問題；施工過程噴涂混合料液霧化效果好，無滴落現象，噴槍口處殘留物料少；泡沫可緊貼客車車身鋁板框，無收縮；泡沫材料破壞后在鋁板框上的附著面積高達95%，泡沫體內部及泡沫與基材間無空洞；材料的阻燃、隔熱、降噪的性能較好。

(2)作為車體內襯增強材料，該聚氨酯泡沫可在車廂內形成無縫氣密密封層，有效減少熱損失、噪音和振動，提高駕乘人員的舒適性。