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座椅系统高回弹泡沫撕裂强度
2020-08-24 11:30:32· 来源：焉知汽车座椅
考察了汽车座椅用高回弹聚氨酯泡沫的主要原料和助剂对其撕裂强度的影响。结果表明，聚合物多元醇用量和异氰酸酯指数越大，泡沫的撕裂强度越高;采用二异丙醇胺( D
考察了汽车座椅用高回弹聚氨酯泡沫的主要原料和助剂对其撕裂强度的影响。结果表明，聚合物多元醇用量和异氰酸酯指数越大，泡沫的撕裂强度越高; 采用二异丙醇胺( DIPA) 和三异 丙醇胺( TIPA) 作交联剂所制备的高回弹聚氨酯泡沫撕裂强度较好，二乙醇胺( DEOA) 和三乙醇胺 ( TEOA) 次之; 使用的泡沫稳定剂活性越低，泡孔越粗大，泡沫的撕裂强度越高; 开孔剂和催化剂对 泡沫的撕裂强度影响较小。
聚氨酯(PU)高回弹泡沫因具有高弹性、高舒适性、高生产效率等优点，在汽车坐垫等领域中得到了广泛应用。随着人体工程学的应用，汽车座椅的设计越来越功能化。座椅设计必须与人体构造一致，坐垫表面的压力均匀分布，同时具有加热、通风等功能，这就要求座椅泡沫中加入不同功能嵌件。
这些功能嵌件的加入，对PU泡沫撕裂强度提出了更高的要求。撕裂强度较差时，结构复杂的泡沫在生产过程中脱模时容易撕裂，装配到座椅后，使用过程中会影响座椅的安全性。
PU泡沫的撕裂强度主要与配方选择的原料种类和用量有关，一般在1.0~4.0N/cm范围。本研究对高回弹泡沫撕裂强度的影响因素进行了详细分析，以满足不同厂家的技术要求。
1 实验部分
1. 1 主要原料
聚醚多元醇F3135(羟值35mgKOH/g)，万华化学集团股份有限公司。聚合物多元醇LP-H45(羟值28mgKOH/g) ，山东隆华新材料股份有限公司; 泡沫稳定剂 S1、S2，空气化工产品有限公司;
泡沫稳定剂S3，美国迈图公司; 二乙醇胺( DEOA) 、三乙醇胺( TEOA) ，工业级，美国陶氏化学公司; 催化剂 806- C、LOD-C，自制; 三异丙醇胺( TIPA) 、二异丙醇胺(DIPA) ，南京红宝丽股份有限公司; 甘油( 丙三醇) ，北京恒成兴盛科技有限公司; 开孔剂K1 (环氧乙烷/环氧丙烷(EO/PO) 共聚醚) ，天津第三石油化工厂; 开孔剂 K2，江苏长华聚氨酯科技有限公司。开孔剂K3，山东蓝星东大化工有限责任公司; 开孔剂K4，南京金陵石化公司; 甲苯二异氰酸酯(TDI-80) ，沧州大化集团有限责任公司;
聚合MDI(PM-200) 、改性 MDI-4，万华化学集团股份有限公司; 改性MDI-1、改性MDI-2，上海亨斯迈聚氨酯有限公司。改性MDI-3，科思创聚合物中国有限公司; 改性 MDI- 5，日本三井化学公司。以上均为工业级。
1. 2 主要试验仪器设备
CMT-7150 型电子万能材料试验机，珠海三思计量仪器有限公司; 钢模尺寸为30 cm × 30 cm × 10 cm。
1. 3 高回弹组合料制备
表1 为高回弹泡沫组合料A 组分基本配方。
B 组分为 TDI / 聚合 MDI 的混合物( 简称 T / M)或者改性 MDI。如不特别说明，T / M 质量比为 1 /1，异氰酸酯指数为1. 00。
1. 4 测试标准
撕裂强度按GB / T 10808—2006 测试。
2、结果与讨论
2. 1聚合物多元醇用量对泡沫撕裂强度的影响
聚醚多元醇( POL) 是高回弹泡沫配方中的主要成分，另外还需加入聚合物多元醇( POP) 来增加泡沫的硬度和开孔性，以调整泡沫的泡孔结构和物理机械性能。POL 和POP 的质量比对泡沫的硬度和撕裂强度有明显的影响。本实验在T / M 质量比1 /1 的条件下，研究了聚合物多元醇和聚醚多元醇的质量比对泡沫撕裂强度的影响，结果见表2。
由表2 可知，随着POP 用量增加，泡沫的撕裂强度逐渐升高。主要原因是POP 中存在大量的苯乙烯-丙烯腈分子链段，使泡沫的微相分离程度增加，脲相区氢键结合更为紧密。
该链段一方面增加了泡沫骨架的刚度和硬度; 另一方面有助于泡沫开孔，使泡沫的经络变得更加粗大，进而增加了泡沫的撕裂强度［2 －3］。由此可见，泡沫的撕裂强度与聚合物多元醇的添加量成正比关系。实际应用中，可根据硬度要求，选择合适的聚合物多元醇用量。
2. 2 异氰酸酯对泡沫撕裂强度的影响
2. 2. 1 异氰酸酯品种对泡沫撕裂强度的影响
目前用于制备高回弹泡沫的异氰酸酯主要是改性 MDI、TDI 和聚合 MDI，根据所用原料分为改性MDI 体系和 T / M 体系。其中改性 MDI 主要是氨酯改性，由于改性剂不同，其反应活性不同，所制备的泡沫泡孔结构也不同。首先考察不同改性 MDI 对泡沫撕裂强度的影响，结果见表3。
其中配方A 组分 POL / POP 质量比 85 /15，B 组分中改性 MDI-1 和改性 MDI-2 结构中 EO 含量比较高，改性 MDI-3、改性 MDI-4 和改性 MDI-5 结构中 PO 含量比较高。
和撕裂强度不尽相同。使用高EO 比例聚醚改性的异氰酸酯制备泡沫在发泡过程中软硬段相分离较差，泡沫撕裂强度稍差; 使用高PO 比例聚醚改性的异氰酸酯制备泡沫在发泡过程中软硬段相分离较好，泡沫撕裂强度较高。因此，改性 MDI 体系中，高PO 含量改性 MDI 制得的泡沫撕裂强度优于高 EO含量改性 MDI 制得的泡沫。
在TDI 和聚合MDI 复配体系( T / M 体系) 中，聚合 MDI 官能度高，凝胶速度快，有助于泡沫交联度的提高; TDI 官能度低，有助于泡沫的柔软性。
根据目前汽车主机厂对高回弹泡沫硬度的要求，添加40% 的POP 即能满足大部分汽车厂的硬度指标。本实验中 POL / POP 质量比为 60 /40，考察了T / M 体系中 TDI 与聚合 MDI 的掺混比例对泡沫撕裂强度的影响，结果见表4。
由表 4 可知，TDI 比例越高，则泡沫的撕裂强度越高。这与TDI 反应活性较低、相分离完全、硬段结晶度较高有关; 而聚合 MDI 官能度高，凝胶速度快，相分离不完全，从而导致泡沫撕裂强度较低。因此，T / M 体系中 TDI 含量越高，泡沫的撕裂强度越高。
2. 2. 2 异氰酸酯指数对泡沫撕裂强度的影响
异氰酸酯品种确定后，坐垫制造企业一般会在现场根据不同的硬度要求调整A / B 组分比例。两个组分的比例不同，生产的泡沫开孔性及撕裂强度也不同。异氰酸酯指数一般为0. 8 ～ 1. 2。以POL /POP 质量比 60 /40，考察了异氰酸酯指数对泡沫撕裂强度的影响，结果见表5。
由表 3 可以看出，不同类型的改性 MDI，由于其改性剂及掺混物质不同，导致生成的泡沫泡孔结构
由表5 可知，异氰酸酯指数越高，撕裂强度越高。这是因为当异氰酸酯指数低于1. 00 时，部分聚醚多元醇未参与反应; 当异氰酸酯指数高于1. 00 时，泡沫在放置过程中残留的异氰酸酯会与空气中的水分反应生成脲基硬段，因而撕裂强度变高。
2. 3 交联剂对泡沫撕裂强度的影响
选择交联剂时，要根据制品要求，从性能、加工和价格等方面考虑。常见的交联剂有DEOA、TEOA、甘油、TIPA、DIPA 等。交联剂品种和用量不一样，高回弹泡沫的强度也不一样。固定POL / POP 质量比为 60 /40，考察了交联剂品种对泡沫撕裂强度的影响，结果见表6。
由表6 可知，不同的交联剂对泡沫的强度影响很大。其中，在同等用量条件下，以DEOA 或TEOA 为交联剂制备的高回弹泡沫的撕裂强度差别不大，但采用 DEOA 为交联剂时，反应初期起发快，TEOA对后期有加快熟化作用。采用 DIPA 或 TIPA 时撕裂强度较高，但反应活性低。
与 DIPA 和 TIPA 相比，甘油有较高的反应活性，能加快泡沫熟化。实际中可以根据需要选择。
因此可知，采用交联剂DEOA 和TEOA 制备的泡沫撕裂强度相当，能加快泡沫的熟化; DIPA 和 TI- PA 制备的泡沫撕裂强度比DEOA 和TEOA 高，对泡沫的后熟化影响较小。
在上述配方的基础上，以二乙醇胺为交联剂，考察了用量对泡沫撕裂强度的影响，结果见表7。
由表7 可知，随着加入量的增加，泡沫撕裂强度先升高后降低，二乙醇胺加入量为0. 3 份左右时，撕裂强度最高。主要原因是因为随着交联剂用量的增加，泡沫适度交联，形成网状结构，撕裂强度上升，但随着交联度的升高，泡沫的交联点过于密集，泡沫变脆，撕裂强度反而越来越低。
2. 4 泡沫稳定剂对泡沫撕裂强度的影响研究
固定 POL / POP 质量比为 60 /40，考察了泡沫稳定剂品种及用量对泡沫撕裂强度的影响，结果见表8。其中，S1 是 MDI 体系通用型泡沫稳定剂，S2 和S3 是T / M 体系通用型泡沫稳定剂，表面活性程度S3 ＞S2 ＞S1。
由表8 可以看出，随着泡沫稳定剂表面活性的增加，泡孔越来越细，泡沫的撕裂强度越来越低。泡沫稳定剂对撕裂强度有较大影响，泡孔越粗，撕裂强度越高。
2. 5 开孔剂对泡沫撕裂强度的影响
目前PU 高回弹泡沫多采用特殊化学组成的EO-PO 共聚醚、聚氧化烯烃-聚硅氧烷共聚物等作为开孔剂。固定 POL / POP 质量比为 60 /40，开孔剂添加量为1. 5% ，考察了开孔剂对泡沫撕裂强度的影响，结果见表9。
由表9 可以看出，采用开孔剂K1 所制备泡沫的撕裂强度有所降低外，其余开孔剂对撕裂强度影响不大。上述几种开孔剂都是富含EO 的多元醇，主要区别是结构上的差异，正是这些差异导致了泡沫撕裂强度的微小变化。
2. 6 催化剂对泡沫撕裂强度的影响
普通的胺催化剂如三乙烯二胺( A33) 、双( 二甲胺基乙基) 醚( A1) 等不参与反应，其最终残留在泡沫成品中，并会缓慢地挥发迁移。随着汽车行业对泡沫材料气味和VOC 的要求越来越高，目前高回弹泡沫主要使用反应型催化剂，这些催化剂参与反应，并在泡沫骨架上形成交联结构，对泡沫的撕裂强度 也有一定的影响。
固定 POL / POP 质量比为 60 /40，交联剂为二乙醇胺0. 8% ，考察了催化剂对泡沫撕裂强度的影响。其中806-C 是复配的含有A33 和A1 的非反应型催化剂，添加量为0. 75% ，制得的泡沫的撕裂强度是2. 05 N / cm，LOD-C 是复配的全反应型催化剂，添加量为0. 9% ，制得的泡沫的撕裂强度是1. 96 N / cm。
由实验结果可以看出，使用反应型催化剂后，泡沫的撕裂强度有一定程度的降低，但不是太大。在实际生产中，建议可以根据其他的方案对撕裂强度的损失进行弥补。
3 结论
( 1) 聚合物多元醇对高回弹泡沫的撕裂强度有较大影响，用量越高，PU 泡沫的撕裂强度越高。
( 2) 在全 MDI 体系中，使用高 PO 比例聚醚改性得到的改性 MDI，制备的泡沫撕裂强度较高; 若使用 T / M 体系，TDI 含量越高，泡沫的撕裂强度越高。随着异氰酸酯指数的升高，两种体系的泡沫撕裂强
度均逐渐升高。
( 3) 采用交联剂DEOA 和TEOA 制备的泡沫撕裂强度相当，能加快泡沫的熟化; DIPA 和 TIPA 制备的泡沫撕裂强度比DEOA 和TEOA 高，对泡沫的后熟化影响较小。
( 4) 泡沫稳定剂对撕裂强度有较大影响，泡孔越粗，撕裂强度越高。
( 5) 开孔剂K1 会降低泡沫的撕裂强度，其余的开孔剂对泡沫的撕裂强度影响不大; 使用反应型催化剂和非反应型催化剂，所制备的两种高回弹PU 泡沫的撕裂强度差别不大。
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