聚氨酯发泡工艺以及种类

聚氨酯泡沫塑料（PU泡沫）的主要成分是聚氨酯，原料主要为多异氰酸酯和多元醇，通过加入适当的助剂——其中最重要的助剂便是与发泡相关的一系列发泡助剂——使得反应产物中生成大量泡沫，从而得到聚氨酯泡沫塑料产品。

 01 多异氰酸酯 聚氨酯泡沫塑料工业生产中最常用的多异氰酸酯有甲苯二异氰酸酯（TDI）、多亚甲基多苯基异氰酸酯（PAPI）、二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）以及液化MDI （L-MDI）等。 TDI在泡沫塑料行业主要用于生产聚氨酯软泡。MDI的反应活性比TDI大，挥发毒性较小，某些液化改性MDI可作为TDI的替代品应用于聚氨酯软泡的生产，如高密度聚氨酯软泡和半硬泡或微孔聚氨酯弹性材料的制造。 PAPI又称粗MDI、聚合MDI，典型的PAPI产品平均分子量 在30~400范围，其NCO质量分数为31%~32%。低黏度PAPI的平均官能度一般在2.5~2.9之间。 在泡沫塑料领域，PAPI以及改性PAPI主要用于生产各种聚氨酯硬泡，少量用于生产高回弹软泡、整皮泡沫、半硬泡。PAPI可与TDI混用，制造冷熟化、高回弹泡沫塑料。

 02 聚醚多元醇 用于生产聚氨酯软泡的聚醚多元醇一般是长链、低官能度聚醚。软泡配方中聚醚多元醇官能度一般为2~3， 平均分子量在2000~6500之间。在软泡中用得最多的是聚醚三醇，一般以甘油 （丙三醇）为起始剂，由1，2-环氧丙烷开环聚合或与少量环氧乙烷共聚而得到，分子量一般在3000~7000。 其中高活性聚醚主要用于高回弹软泡，也可用于半硬泡等泡沫制品。少量聚醚二醇可作为辅助原料，与聚醚三醇在软泡配方中混合使用。低不饱和度、高分子量的聚醚多元醇可用于柔软泡沫的生产，降低TDI的用量。 用于硬泡配方的一般是高官能度、高羟值聚醚多元醇，如此才能产生足够的交联度和刚性。硬泡聚醚多元醇的羟值一般为350~ 650mg KOH/g，平均官能度在3以上。一般的硬泡配方多以两种聚醚混合使用，平均羟值在4000mg KOH/g 左右。 半硬泡配方一般会使用部分高分子量聚醚，特别是高活性聚醚多元醇和部分高官能度、低分子量的硬泡聚醚。

 03 聚酯多元醇 普通的低黏度脂肪族聚酯多元醇例如羟值为56mg KOH/g左右的聚己二酸二甘醇酯二醇，或略带少量支链的聚酯多元醇，可以用于制造聚酯型聚氨酯软泡。聚酯多元醇反应活性高。目前聚酯型PU块状泡沫仅用于服装辅材等少量领域。 以二元酸（如苯酐、对苯二甲酸等）和小分子二醇（二甘醇等）或多元醇为原料合成的芳香族多元醇，其中高羟值的可用于生产聚氨酯硬泡和聚异氰脲酸酯硬泡。较低羟值的苯酐聚酯醇还可用于高回弹软质泡沫塑料、整皮泡沫和半硬泡，以及非泡沫聚氨酯材料。

 04 聚合物多元醇 聚合物多元醇 （接枝聚醚多元醇）中含刚性的苯乙烯、丙烯腈均聚物及共聚物和接枝聚合物，这些乙烯基聚合物起类似有机“填料”的作用，提高承载性能。 聚合物多元醇可用于生产高硬度软质块泡、高回弹泡沫、热模塑软泡、半硬泡、自结皮泡沫、反应注射模塑（RIM）制品等，可减少制品厚度、降低泡沫密度而降低成本，还可增加泡沫塑料的开孔性，并赋予制品一定的阻燃性能。 聚脲多元醇（PHD分散体）也是一种特殊聚合物改性多元醇，可用于高回弹软泡、半硬泡、软泡，目前市场上产品很少。 还有一些特殊多元醇用于生产聚氨酯泡沫塑料，如植物油多元醇、松香聚酯多元醇、聚合物聚酯多元醇。

 05 发泡剂 水是聚氨酯材料生产中重要的发泡剂，它属于化学发泡剂，通过与异氰酸酯反应生成的二氧化碳气体，使黏弹性的泡沫物料膨胀、发泡、固化，得到各种聚氨酯泡沫塑料。 由于二氧化碳热导率较高，并且渗透性较强，因此对于要求有高绝热性能的硬质聚氨酯泡沫塑料配方，必须使用物理发泡剂。因为硬泡生产中的物料混合初期，在数十秒内产生大量的热量，它需要发泡剂吸收部分热量，同时发泡剂的气化使泡沫膨胀发泡。 在聚氨酯软泡生产中，为了获得低密度的柔软泡沫塑料，同时不能因水量过多而引起泡沫僵硬，一般需控制水的用量，添加适量的物理发泡剂作为辅助发泡剂。 CFC-11 （三氯一氟甲烷）在20世纪20年代末实现工业化生产。由于CFC-11具有不燃、沸点适宜、易于气化、气相热导率低、毒性低、与聚氨酯原料相容性好、无腐蚀性、价格低、发泡工艺简单等特点，是聚氨酯泡沫塑料生产中非常理想的发泡剂。 自20世纪60年代至90年代初，CFC-11广泛用作聚氨酯泡沫塑料的发泡剂。但在20世纪70年代科学家发现散发在大气中的CFC-11可缓慢破坏臭氧层，引起了全球环保学家的重视。目前作为CFC-11的替代物的主要发泡剂类型有HCFC （氢氯氟烃）、HFC （氢氟烃）、HC（烷烃）、液态CO2及水等。

 06 发泡助剂

 (1）泡沫稳定剂生产聚氨酯泡沫塑料时，泡沫稳定剂（或称匀泡剂）是一个不可缺少的组分。它能增加各组分的互溶性，起着乳化泡沫物料、稳定泡沫和调节泡孔的作用。泡沫稳定剂属于表面活性剂，有非硅系化合物以及有机硅化合物两类。 目前使用的泡沫稳定剂大多是聚硅氧烷氧化烯烃嵌段共聚物，属于聚醚改性有机硅表面活性剂，行业有时俗称“硅油”。由于这类表面活性剂的结构组成变化范围广，使用效果良好，目前聚氨酯泡沫塑料行业已广泛采用聚醚改性有机硅表面活性剂作为泡沫稳定剂。 

 （2）开孔剂获得开孔聚氨酯泡沫塑料的方法： 采用合适的催化剂，使得凝胶反应和发泡反应达到所需的平衡，在泡沫物料上升到最高点时泡孔的壁膜强度不足以把气泡封闭在内，气体破壁而出，形成开孔的泡沫结构； 采用合适的聚醚多元醇原料，形成开孔泡沫； 当催化剂和主原料不足以解决问题时，采用少量的开孔剂，使得水发泡形成的脲分散，以获得一定开孔率的泡沫塑料。 开孔剂是一类特殊的表面活性剂，一般含疏水性和亲水性链段或基团，它的作用是降低泡沫的表面张力，促使泡孔破裂，提高聚氨酯泡沫塑料的开孔率，改善因闭孔造成的软质、半硬质、硬质泡沫塑料制品收缩等问题。 通常的聚氨酯硬泡由于交联密度高，发泡中泡孔壁膜强度大， 一般是闭孔的泡孔结构，但添加开孔剂，可制造开孔硬质聚氨酯泡沫塑料，用于消音、过滤等用途。 早期疏水性的液体石蜡、聚丁二烯、二甲基聚硅氧烷等可用作泡沫稳定剂和开孔剂，石蜡分散液、聚氧化乙烯也可用作开孔剂，目前多采用特殊化学组成的聚氧化丙烯-氧化乙烯共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物等作为开孔剂。

 （3）软化剂在高水量配方聚氨酯软泡生产中采用软化剂，可以抑制过多的脲基带来的泡沫体僵硬问题。泡沫软化改性剂具有软化效果，采用软化剂可以降低异氰酸酯用量进而降低泡沫硬度，用于软质聚氨酯泡沫塑料的生产。商品软化剂一般含有特殊聚醚、特殊多元醇和水等成分。