搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料力学性能的影响

赵瑞超，盖东杰, 顾 尧

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042)

搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料力学性能的影响

赵瑞超，盖东杰, 顾 尧

(青岛科技大学 橡塑材料与工程教育部重点实验室，山东 青岛 266042)

聚氨酯软质泡沫塑料是由大量泡孔和基体组成的，泡孔孔径对聚氨酯软质泡沫塑料的性能产生很大影响。改变塑料发泡时料液的搅拌速率能够得到泡孔孔径不同的聚氨酯软质泡沫塑料，且泡孔孔径在一定范围内随搅拌速率的增加而减小。研究了搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料力学性能的影响。结果表明：在实验范围内聚氨酯软质泡沫塑料的承载能力和回弹性随搅拌速率的增大而增大，而拉伸强度和撕裂强度先增大后减小。

搅拌速率；泡孔孔径；回弹性；力学性能

0 前言

聚氨酯软质泡沫塑料在吸震、分散压力、提高舒适性等方面具有特殊优势，并且在撤销压力后能够回复，主要用于沙发、床垫和汽车座椅等[1]。国内外对聚氨酯软质泡沫塑料进行了大量研究，发现聚氨酯软质泡沫塑料的性能，如持久性和高回弹性等，与泡孔孔径有关，而泡孔孔径是由搅拌速率控制的，因此研究聚氨酯发泡时搅拌速率对其力学性能的影响具有重要的意义[2]。

1 实验

1.1 原料

MDI-50 (质量分数为50%的4,4′-二苯基甲烷二异氰酸酯和质量分数为50%的2,4-二苯基甲烷二异氰酸酯);

聚醚多元醇330N;

A-1 (以一缩二丙二醇为溶剂配制成质量分数为70%的双二甲氨基乙基醚溶液);

A-33 (三亚乙基二胺溶于一缩二丙二醇中所配制的质量分数为33%的溶液);

硅油，乙醇胺(商用品)。

1.2 仪器与设备

电子天平，余姚纪称重校验设备有限公司；

模具，200 mm×200 mm×50 mm，自制；

电子计价台秤TCS-K，上海华德衡器有限公司；

偏光显微镜 DM 2500P，LEICA；

落球回弹测定仪 CSS-96，宁波联合测试仪器厂；

泡沫压陷硬度仪，北京北广精仪仪器设备有限公司；

AZ-7000M拉力试验机，台湾高铁科技股份有限公司；

电动搅拌机，上海普力通工具有限公司；

固定底座，实验室自制。

1.3 聚氨酯软质泡沫塑料的制备

聚氨酯软质泡沫塑料的基础配方，如表1所示。

表1 聚氨酯软质泡沫塑料发泡配方

首先组装实验装置，将聚醚330N、催化剂A-1和A-33、硅油、交联剂乙醇胺、化学发泡剂水，加入不锈钢杯中，然后将不锈钢杯置于固定底座上，将搅拌桨深入混合液中。设置搅拌速率后开启搅拌，10 s后停止搅拌，迅速加入计量好的MDI-50，搅拌6 s。最后迅速将料液倒入模具中，锁模、发泡。180 s后开启模具，取出泡沫塑料，熟化。按照上述实验方法操作，改变搅拌速率，制备一系列聚氨酯软质泡沫塑料。将聚氨酯软质泡沫塑料做成薄片，在偏光显微镜下观察聚氨酯软质泡沫塑料的泡孔结构，并进行回弹性能和力学性能的测试。

1.4 测试和表征

在偏光显微镜下观察聚氨酯软质泡沫塑料的泡孔。

回弹性 按照GB/T6670—2008测定[3]；

拉伸强度和断裂伸长率 按照GB/T 6344—2008测定[4]；

撕裂强度 按照GB/T 10808—2006测定[5]；

压陷硬度 按照GB/T 10807—2006测定[6]。

压陷比为压陷65%的力与压陷25%的力之比。

2 结果与讨论

2.1 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料泡孔孔径的影响

搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料泡孔孔径的影响，如图1所示。由图1可见 ：聚氨酯软质泡沫塑料的泡孔大部分为开孔，只有少部分泡孔闭孔，而该部分的泡孔也和其它泡孔相连，可以认为是开孔的，所以在本实验条件下制备的聚氨酯软质泡沫塑料为开孔的泡沫塑料。由图1可见：搅拌速率在416～1 250 r/min时，泡孔孔径随着搅拌速率的增加而减小。这主要是因为搅拌速率增加，异氰酸酯基团与水碰撞机会增大，聚氨酯软质泡沫塑料的发泡反应速率增大，二氧化碳的产生速率就会加快，同时更多的异氰酸酯基团与水反应，二氧化碳的量也会增加；另一方面，搅拌速率增大也会将更多的空气带入到了料液中，这些被带入料液中的空气连同发泡时产生的二氧化碳一起参与核化，由于物料的反应量一定，气体在料液中饱和度一定，体系中的二氧化碳越多，形成的气泡核越多，泡孔体积越小。另外，搅拌能破坏二氧化碳在体系中的稳定性，有助于成核，致使泡孔数量增加，泡孔体积减小，所以搅拌速率越大，聚氨酯软质泡沫塑料泡孔孔径越小。

2.2 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料力学性能的影响

2.2.1 回弹性

制备的聚氨酯软质泡沫塑料的密度为52.4～54.1 kg/m3。搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料回弹性的影响，如图2所示。由图2可见：搅拌速率为600～1 250 r/min时,聚氨酯软质泡沫塑料的回弹性随着搅拌速率的增加而增加，即回弹性随着泡孔孔径减小而增加。这是因为受到外力作用时，大泡孔的压缩形变量大，恢复到起始位置时需要较长时间，而且存在不可恢复的形变，所以回弹性较差；而小泡孔的半径较小，受到同等压力时，不可恢复的形变量相对较小，压力撤销时，能在较短时间内恢复到起始位置，回弹性较好，所以小泡孔对聚氨酯软质泡沫塑料回弹率的贡献要大于大泡孔的，即在同一体系中，具有较大比例小泡孔的泡沫塑料将具有较大的回弹率。

A 416 r/min；B 625 r/min；C 833 r/min；D 1 250 r/min

图2 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料回弹性的影响

2.2.2 承载性能

搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料承载性能的影响，如图3所示。由图3可见：在搅拌速率为600～1 250 r/min-1时,聚氨酯软质泡沫塑料的承载性能随着搅拌速率的增加而增加，且后期增加的幅度较大。压陷比表征了聚氨酯软质泡沫塑料的承载能力，其值越大，聚氨酯软质泡沫塑料的承载能力越好，聚氨酯软质泡沫塑料的承载能力随着搅拌速率的增加而增加，即承载能力随着泡孔孔径的减小而增加。泡孔孔径减小，单位体积内拥有的泡孔数量越多，泡孔骨架也越多。在微观上，泡孔骨架强度表现在聚氨酯链段的氨基甲酸酯-脲基化合物上，骨架越多，其含量也越多。氨基甲酸酯-脲基相互聚集，形成物理交联点，当受到外力时，外力由硬段向软段传递，可以抵消较大的力，具有良好的承载性能，此外，氨基甲酸酯-脲基相互聚集产生大量的氢键，提高了承载性能。宏观上，泡孔骨架起支撑泡孔的作用，表现在塑料泡沫的承载力上，所以泡孔孔径减小，承载力增大，即承载力随着搅拌速率的增大而增大。

图3 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料承载性能的影响

2.2.3 拉伸强度

搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料拉伸强度的影响，如图4所示。由图4可见：在搅拌速率为600～750 r/min-1时,聚氨酯软质泡沫塑料的回弹性随搅拌速率的增加而增加，在750～1 250 r/min时，拉伸强度随着搅拌速率的增大迅速降低。这是因为搅拌速率能够影响聚氨酯链段的结晶度，球晶尺寸太大对力学性能不利，大球晶使材料断裂伸长度和韧性降低，而小球晶分布在材料中起交联点的作用，能够提高材料的强度。增大搅拌速率，使球晶尺寸减小，拉伸强度增大；但搅拌速度过大，结晶度降低，甚至无结晶，这就会使材料的应力-应变特性发生转变，由原来的“硬而韧型”转变为“软而弱型”，即弹性模量、断裂强度和拉伸强度降低；同时，搅拌速率过大，会使硬段区分子链间距的增加和氢键的减少，这样均会使分子链间作用力下降，导致分子链间相对移动需要的拉力下降。这两者都导致了聚氨酯软质泡沫塑料的拉伸强度随着搅拌速率的增大呈现先增大后减小的趋势。

图4 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料拉伸强度的影响

2.2.4 撕裂强度

搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料撕裂强度的影响，如图5所示。由图5可见：在搅拌速率为600～750 r/min时,聚氨酯软质泡沫塑料的撕裂强度随着搅拌速率的增加而增加，在750～1 250 r/min时，随着搅拌速率的增大而减小。这是因为搅拌速率影响结晶度，均匀分布的小球晶能够提高材料的强度，而无球晶则使材料强度下降。其次，搅拌速率过大，致使硬段区分子链间距增加以及氢键减少，使分子链间作用力下降，分子间的分离变得更容易，使得撕裂强度随着搅拌速率的增大而减小。因此，聚氨酯软质泡沫塑料的撕裂强度随着搅拌速率的增大呈现先增大后减小的趋势。

图5 搅拌速率对聚氨酯软质泡沫塑料撕裂强度的影响

3 结语

当搅拌速率在1 250 r/min以下时，随着搅拌速率的增大，泡孔孔径逐渐减小。

(1) 随着搅拌速率的增大，聚氨酯软质泡沫塑料的回弹性和承载能力增加。

(2) 随着搅拌速率的增大，聚氨酯软质泡沫塑料的拉伸强度和撕裂强度先增大后减小。

[1] 郭智臣. 亨斯迈推出全新聚氨酯泡沫床垫产品[J]. 化学推进剂与高分子材料, 2015, 13(4):10.

[2] 梁书恩. 聚氨酯泡沫塑料泡孔结构与力学性能关系的研究[D]. 绵阳：中国工程物理研究院, 2005.

[3] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 6670—2008 软质泡沫聚合材料落球回弹性能的测定[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 6344—2008 软质泡沫聚合材料拉伸强度和断裂伸长率的测定[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[5] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 10808—2006高聚物多孔弹性材料撕裂强度的测定[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[6] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GB/T 10807—2006 软质泡沫聚合材料拉伸强度的测定(压陷法)[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

Effect of Stirring Rate on Mechanical Properties of Flexible Polyurethane Foam

ZHAORui-chao,GAIDong-jie，GUYao

(Key Laboratory of Ministry of Education of Rubber Materials and Engineering, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266042, China)

Flexible polyurethane foam is made from a large number of cells and matrixes, and the performance is affected by cell sizes. Changing the stirring rate can obtain flexible polyurethane foam with different cell sizes. The cell size of the flexible polyurethane foam decreases when the stirring rate increases. The influence of the stirring rate on mechanical properties of the flexible polyurethane foam is studied. The results show that the carrying capacity and resilience are increased with increasing of the cell size, however tensile strength and tear strength are increased and then decreased with increasing of the cell size.

stirring rate; cell size; resilience; mechanical property

赵瑞超(1990—)，男，硕士，从事功能及特种高分子材料的研究

TQ 328.1

A

1009-5993(2016)04-0048-04

2016-09-06)