聚氨酸泡沫塑料基本知识

聚氨酸泡沫塑料基本知识

第一节概述

一、聚氨酯是聚氨基甲酸酯的简称。凡是在高分子链上含有许多重复的氨基甲

酸酯基团的高分子化合物，通称为聚氨基甲酸酯。常用符号：PU。

二、聚氨酯一般由异氰酸酯与多元醇化合物（主要是聚醚多元醇和聚酯多元

醇）相互作用而制得。聚氨酯类聚合物可以分别制成塑料、橡胶、纤维、涂料、粘合剂、人造革等。

三、聚氨酯泡沫具有优良的物理机械性能、声学性能、电学性能、耐化学性能，

尤其是硬质泡沫塑料的导热系数特别低，是一种优质的绝热保温、保冷材料。

四、聚氨酯泡沫塑料的密度大小及软硬程度可以随着原料及配方的不同而改

变，且施工方便，是其它塑料品种无法相比的。到目前为止，除聚烯烃、聚氯乙烯，酚醛、氨基塑料等大吨位的塑料品种外，在某些工业发达国家，聚氨酯泡沫塑料的产量已上升到第六、七位。

第二节聚氨酯硬质泡沫塑料的形成过程

计量和混合

把适当数量和规定料比的两组份配在一起并加以混合。料比是一个计算值，不允许随意变动，尤其不允许增大白料的比例。充分混合是最基本的要求，混匀后才能得到颜色浅、泡孔匀细、性能优的泡沫。混合不匀，再好的原料也得不到合格的泡沫。

乳白时间

聚醚多元醇组份（A料）和异氰酸酯组份（B料）经搅拌后，经过一段诱导期，发泡气体开始形成并扩大成细小的气泡，使发泡混合料表面出现乳白现象。从开始混合到出现乳白现象这一段时间叫做“乳白时间”，乳白时间是发泡料体积膨胀的起点。乳白时间受原料温度、环境温度和空气流动等因素的影响很大，不同的检测人员，所测数据也可能不一样。

凝胶时间（纤维时间、拉丝时间）

乳白时间过后，随着发泡气体的增多，发泡料体积开始膨胀。体系中因发生聚合反应粘度不断增大。在整个发泡过程中，气泡数目保持不变，但气泡体积逐渐增大。当可从发泡体系中探出纤维丝时，我们称之为凝胶时间，或纤维时间、拉丝时间。凝胶时间过后，尽管发泡体系的体积仍在膨胀，但泡孔结构沿着上升方向拉长，这种泡沫强度低，性能劣化，这种泡沫没有利用价值。

不粘时间

当A、B料混合开始至轻触泡沫表面不粘手为止的时间，为不粘时间。不粘时间基本上意味着，发泡体系体积膨胀的终止，但泡沫体系的反应并未终止。固化时间

不粘时间过后，泡沫内部仍在继续进行各种复杂的交链反应，使泡沫性能慢慢达到最终强度，当泡沫达到可开模的强度所经过的时间段，称为脱模时间。

第三节基本概念

自由泡密度、模塑泡密度、整体密度

自由泡密度发泡料在空气中除大气压外不受其他外力作用下自由发泡后芯部密度，模塑泡密度是指模塑泡沫的芯部密度，而整体密度是指整块泡沫的平均密度。因为密度梯度的存在，自由泡整体密度远大于自由泡密度，模塑泡整体密度也大于模塑泡密度。它们的差值，与温度和模具的散热快慢有关，环境温度、模具温度、原料温度越低,模具散热效果越好,差值越大。反之越小。

流动性

流动性包括发泡液的流平性和泡沫的流动性两层含义。流平性是指发泡料在发泡以前的流动性能，以发泡液在乳白时间之内所流动的最大距离来衡量。泡沫的流动性以单位重量泡沫的最大爬升高度来表示。

A、流平性

有人认为，在乳白时间之内，发泡液应均匀的铺平在待发泡空间的底面上。实际要求并不那么严格，因为发泡料在乳白时间之后和凝胶时间之前，仍具有较强的流动性，可补充流平性的不足。在发泡料本身而言，发泡料的粘度和乳白时间对流平性影响较大。

B、泡沫的流动性

泡沫的理想性质应该是：能够充满整个空间，泡沫密度分布均匀，泡孔细密，泡沫物性处处相同。因此，泡沫流动性又可以用泡沫物性（通常以密度）分布系数来衡量。在生产中，泡沫必须能达到下列条件，才可以具有良好的流动性：1、欲填充空间在凝胶时间之前完全填满，凝胶时间之后，虽然泡沫体积仍在

继续膨胀，但这种泡沫物理机械性能很差。一般来说，凝胶时间的90%被

认为是流动时间的上限。

2、泡沫体局部密度增高的现象尽可能少些。

第三节高压机械发泡与手工发泡的比较

了解制品泡沫性能好坏最直观的办法是用透明模具发泡，成型后破坏制品。然后，分成若干测试点，测定性能。然而，这种办法代价昂贵，只适用于新产品开发。在新配方开发、上机试验阶段，如何由手工自由发泡最有效地过渡到高压机械发泡，这是个现实问题，有条件的话，应充分利用流动性、脱模性等试验装置。若无条件，就应注意比较高压机械发泡与手工发泡反应特性的差异。

手工自由发泡，将A、B料的温度控制在20度左右，在塑料烧杯中，以1500-3000转/分钟的转速的搅拌机，搅拌7-8秒后把料倒入敞口容器中自由发泡。

高压发泡时，贮罐内原料温度控制在20度左右，模具40-45度左右。原料经过高压（压力为14-16MPA）撞击式混合后，注入敞口容器，注射时间为零点几秒至1秒钟。发现同一原料，手工发泡与高压机械发泡反应特性有明显差异。高压机械发泡比手工发泡反应速度明显增快，反应时间明显缩短。乳白时间缩短

时，反应速度要相应减低。其主要原因在于：高压发泡机仪表上所指示料温实际

上进混合头前的温度，物料输入混合头，经高压撞击式混合，动能转化为热能。经计算料温可上升7度。另外混合效果远远超过手工发泡中桨式搅拌的效果。物料分子间的混合分散得好，则大大加快了反应进程。

无氟发泡常见问题及解决方案

美国、日本为代表HCFC-141b。

欧洲为代表环戊烷。

综合性能比不上CFC-11。因此会遇到一些问题。

一、流动性：

对发泡料而言，影响流动性的因素有两个：一是乳白时间，一是料液粘度。显然乳白时间越长，料液粘度越低，流平性越好。反之亦然。

但乳白时间太长，往往会导致泡也粗大，导热系数升高，直接影响制品的保温隔热效果，而粘度过低，发泡料容易溢泄，不仅造成浪费，还给后道工序——外观清理造成麻烦。如果发泡液需流经较长的距离（1。5米以上），除了降低料液粘度、延长乳白时间外，也可采取其它措施来改善流平性。如在高压注射枪的出口外接分散器，高压强制料液分散均匀，或者以双枪同进注射，达到流动距离减半之目的。另外，注料后，用气压、油压、行吊等方法使笨重的模具转动或倾斜一定的角度，重力迫使发泡液流往在水平状态下不易流到的角落。

二、泡沫流动性

泡沫的理想性质应该是：能够充满整个空间，泡沫密度分布均匀，泡孔均匀、细密，泡沫物性处处相同。因此，泡沫流动性又可以用泡沫物性（通常以密度）分布系数来衡量。在冰箱生产中，泡沫必须能达到下列条件，才可以认为是流动性良好。

1、欲填充空间在凝胶时间之前完全填满，一般来说拉丝时间的90%被认为是

流动时间的上限。

2、泡沫局部密度增高的现象尽可能少些。

泡沫流动性主要由泡沫所用原料和助剂决定，其中发泡剂的种类影响较大。HCFC-141b和环戊烷的液化温度（即沸点）较高，（常温下CFC-11为23。8度，HCFC-141b为32度，环戊烷为49。2度），在受压状态下液化点更高。因此，在泡沫与待填充空间的交界面上（如冰箱外皮或内胆与泡沫的粘合面），由于散热快，温度较芯部低得多，加上过量填充形成的压力，容易形成一层不发泡或微发泡的硬皮，以至密度分布很不均匀，即泡沫流动性差。为避免该问题的发生，应将冰箱壳体温度和模具温度控制在40±5℃。（本人理解：因为沸点高，因此需要较高的温度来确保。因此，如果散热快，沸点高而受影响更大，发泡效果差）。

三、反应性能自由泡密度

发泡料的反应性能是指特定的温度下的乳白时间、拉丝时间、脱粘时间以及固化时间。自由泡密度是指在空气中发泡料自由发泡（除了大气压不受其他外压）后芯泡密度。箱体容积较小时，应尽量提高泡沫的反应性能，这样有利于得到泡孔细密、导热系数低的泡沫。而当箱体容积较大时，需相应地减缓反应性能，延长料液的流动时间，使泡沫平缓上升，毫无遗漏地填满需填充的空腔。自由泡密度d与模塑泡的芯密度D有关。当D减小，d也应随之减小，反之亦然。

但模塑泡的D值应是一定的,如CFC-11型泡沫为30-32kg/㎡,根据经验，自由泡的密度为23-25 kg/㎡，否则箱体会出现填充不满的现象。而141b和环戊烷型泡沫的D应在35-37kg/㎡，即较CFC-11型泡沫高15%左右，d值一般为24-26 kg/㎡，如果无氟自由泡密度降到24 kg/㎡以下，为了保证D的最小值35

kg/㎡，势必要增加泡沫过填充率，造成发泡压力过大。当箱体密封不严时，溢料现象较为严重。而当d大于26 kg/㎡时，为了保证箱体填充完整，势必要增加泡沫填充量，这时D值可能早已超过37kg/㎡，造成发泡料的浪费。

有些发泡料供应商，为了提高市场竟争力，宣称可生产低密度的141b和环戊烷泡沫（D31-33 kg/㎡），为用户降低泡沫成本，这是没有科学依据的。即使该泡沫的初期物性可达到有关要求，也不能保证长期的稳定性。随着时间的推移，泡孔内的141b或环戊烷由气相慢慢渗入聚氨酯树脂，产生增塑和溶胀效应，造成泡沫的抗压强度下降，泡沫在使用过程中轻则收缩、开裂，重则导致冰箱变形，失去应有的保温性能。

常见问题及其解决方法：

一、填充不满：

1、气泡：将发泡料注入箱体时，因注料方式不合理，体积不断膨胀的泡

沫不是沿着设定的方向流动而是从四面八方挤往一处（如箱体侧面某

部位），而该处无出气孔，被包裹的气体无路可逃，形成气泡；或者

因泡沫在流动方向上遇到体积较大的障碍物，泡沫粘度大，不能很好

地绕过去，在障碍物的后面形成气泡。

检验：用手感觉一下气泡周围的泡沫强度，或测量一下泡沫密度，如果强度与密度与正常无异，则可以确定是气泡所造成。

解决方法：排除障碍物，障碍物往往是人为放进去的垫块，可以通过挪动垫块位置或一分为二等方法减少发泡料的流动阻力；在容易形成气泡的位置，加工一个或若干个出气孔；重新设计注料口位置，有时注料倾斜一定角度也可以。

2、缺料：注入的发泡液偏少，造成空间缺少泡沫，或泡沫末端发软的现

象，这里统称为缺料。

检验：缺料部位的泡沫强度较低，类似于自由泡，泡孔明显拉长，甚至呈纤维状，这是其显著特征，这种泡沫冷冻后严重收缩，甚至开裂。

原因分析：除了操作工误操作外，最常见的原因莫过于温度过低。我国有部分冰箱冰柜厂，工艺条件简陋，生产线上没有加热设施，或者虽设有加热设施，但为了节省能源，降低成本，人为地关闭加热设施。早晨是一天中温度较低的时候，发泡料的发泡率较低，如果发泡料按正常量注入，发生缺料的可能性很大。有经验的操作人员，往往按正常量的110%注入（甚至更高，视实际温度根据经验增加），以确保箱体泡沫质量，待模具温度升至正常温度之后，再恢复到正常量。当然，确保温度是最根本的保证。另外，温度（特别是料温）过高，也有可能造成缺料。料温高，发泡料在反应过程中粘度增长过快，流动困难，导致泡沫最后才能流到的空间缺料。

检验：发泡机温度控制系统工作是否正常。

原料温度是否超标，聚醚与异氰酸酯的温度一般控制在20±1℃。

是否使用了过期的发泡料，如现为夏天，是否使用了冬天的发泡料。

因为冬天的发泡料是根据冬天的气温设计配方的，夏天使用时反应速度过快。

二、溢料

在发泡过程中，发泡料从出气孔或其他结合下缝隙中溢出的现象称为溢料。溢料与箱体上缝隙的密封程度和发泡料本身有关。通常，结合处以海绵双面胶带进行密封，这样，既可保证透气性，又能阻止发泡料的溢出。但由于机械加工精

度不够高，造成结合处缝隙宽度大于海绵胶带的厚度，这时发生溢料是在情理之中的事。

发泡料本身的问题也可造成溢料，如乳白时间过长，粘度很低，以至发泡料如同水一样无孔不漏。另外，由于过填充率增大，发泡压力升高，导致发泡料被迫泄漏。前者可通过升高料温，加快发泡料反应速度来解决。后者，可通过降低注射量来排除。

三、脱壳：

箱体脱模后，泡沫与冰箱外壳或内胆分离的现象称为脱壳，也称其为“分层”、“离泡”等。

原因分析：

1、室温或模温较低

聚氨酯硬泡与其他材料(如极性有机材料和无机材料)的粘结力很强。但发泡料中通常加入水（无氟发泡料中中水量更大）作化学发泡剂。水与发泡料中的主要成分—异氰酸酯发生化学反应，在逸出二氧化碳气体的同时，生成脆性较大的取代脲，取代脲容易在温度较低的泡沫表面或泡沫与钢板的结合面上富集。脆性物质使粘结力大打折扣，甚至下降到零。但当模温或室温较高时，脆性的取代脲进一步与过量的异氰酸酯反应，生成无脆性的缩二脲，泡沫的粘结力得到恢复，因此发泡间室温应保证在15℃以上，模温控制在40℃左右。

检验方法：解剖箱体后，仔细观察脱壳处的钢板或ABS板表面，如果表面附着一层薄薄的残余泡沫，则可断定脱壳是温度低造成的。

2、面材被污染

当内胆（ABS板/铝板）或外壳（钢板）的表面被污染，如表面附着一层灰尘或油污，泡沫不能直接粘结面材，当然会发生“脱壳”现象。灰尘污染很直观，油污通常是微米级的一层，肉眼不易发现，但它实实在在地起到了脱模剂的作用。

检验方法：解剖箱体，仔细观察脱壳处内胆或外皮，若表面非常光滑，则基本可断定为油污作怪。如果经肥皂水清洗干净后，粘结力得到明显改善，则进一步断定罪魁祸首非油污莫属。

3、泡沫填充不足时，也易发生脱壳，这主要是因为密度低，冷冻后收缩造

成的。

四、鼓胀：

脱模后箱体内表面发生膨胀的现象，称为鼓胀。鼓胀主要是因为泡沫固化慢，脱模后仍在继续膨胀而造成，聚氨酯行业称之为“二次发泡”。这种现象在环戊烷发泡中经常遇到。发泡料供应商在发泡料中添加一种对泡沫固化起到强烈促进作用的催化剂，使泡沫固化与脱模达到同步，避免“鼓胀”的发生。当然泡沫生产商，可通过延长脱模时间来解决此问题，但这是以牺牲劳动生产率，增加泡沫生产成本为前提的。另我，用料过量太多也会造成固化慢。过填充率越高，脱模时间越长。

五、泡沫收缩开裂：

自由泡冷冻后收缩，并不说明什么问题。泡沫在冷冻后，封闭泡孔中的气体（如HCFC-141b、环戊烷等），从气态冷凝成液态，泡孔内形成一定的负压。温度越低，负压越大。自由泡密度太小（22-26 kg/㎡），没有足够的强度来抵抗负压，产生一定的收缩，自在情理之中，这就是不填充自由泡的原因。所以，不应

该将自由泡的冷冻收缩率作为一项指标来要求。这里讲的泡沫指的是箱体泡沫，它是在一定的压力下成型的，也称模塑泡沫，密度比较大。环戊烷或141b型泡沫密度都在35 kg/㎡以上，低温下（-30℃左右）收缩率应小于1%，具有足够的尺寸稳定性来抵抗这个负压。有时密度虽然在35 kg/㎡以上，冷冻后仍然出现收缩，甚至脱落、开裂（硬质泡沫粘结在外皮和内胆之间，泡沫轻微收缩时，内胆或外皮会凹陷，严重收缩时，泡沫脱落，开裂）。造成该问题的原因有：

1、泡沫流动性差，导致局部泡沫密度偏低，泡孔拉长，物理机械性能恶化。

2、发泡料重量比失调，一般高氟料的A、B组分重量比为1：1.05-1.10,

HCFC-141b、环戊烷发泡料为1：1.20-1.30,具体数据应由供应商提供,当聚醚组分(A)过量时(泡沫颜色发白),泡沫强度迅速下降,冷冻后容易收缩,这时应立即核对料比,检查A\B组份的管道过滤器是否堵塞。

3、发泡料混合不匀，轻则泡沫颜色变深，泡孔粗大，重则泡沫颜色不匀，出现

不规则的花斑或花纹。这是因为局部A料过量，局部B料过量造成的。此时应立即检查混合头工作是否正常，压力指示是否稳定。

4、机器是否漏油。矿物油类均为弱极性或非极性物质，一旦混入发泡体系中，

起到消泡作用，这种泡沫颜色深，泡孔粗，容易开裂。