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聚氨酯发泡技术汽车应用发展趋势探讨

作者:未知

  摘 要:本文在探究聚氨酯材料市场潜力的基础上针对性地分析了几种聚氨酯发泡技术,在讨论聚氨酯现有使用状况的同时提出了关于聚氨酯发泡技术未来发展的诸多问题,旨在为我国聚氨酯材料的广泛应用做出应有的贡献。
  关键词:聚氨酯;发泡技术;汽车应用发展趋势
  中图分类号:TQ328.3 文献标识码:A 文章编号:1671-2064(2019)14-0208-02
  1 聚氨酯材料的市场潜力
  1.1 在汽车行业的应用
  随着近年来汽车行业轻量化的快速大小,聚氨酯泡沫材料在汽车行业中的应用范围进一步拓宽,软泡、微孔弹性体等聚氨酯制品在汽车坐垫、靠背和扶手等部件中的应用更加普遍。与此同时,仪表盘、遮光板、方向盘等汽车重要零部件中聚氨酯制品的应用频率也进一步增强,为改良及优化汽车性能做出了重要贡献。就双硬度甚至多硬度聚氨酯泡沫材料在汽车行业中的应用而言,该类海绵塑料制品能有效根据人在汽车座椅上的不同接触位置和不同功能作用提供程度不同的硬度支撑,以此方式保证汽车座椅安全性、科学性的同时强化对人体座位适宜性的重视与关注。此外,该类聚氨酯海绵泡沫材料的应用还有利于改善汽车的外部结构形式,增加汽车外形美的同时减少汽车内部结构中镶嵌物的使用。
  1.2 在建筑行业中的应用
  纵观全球聚氨酯市场需求可知,建筑保温材料占据了聚氨酯市场的绝大部分空间,其良好的保温效果、节能效果、导热效果和施工性能等为聚氨酯材料的广泛应用奠定了坚实的基础。而随着我国建筑领域节能减排综合性目标的提出,聚氨酯产业迎来了更广阔的发展空间和应用前景,十二五节能减排方案的出台在极大程度上扩大了聚氨酯硬泡在建筑保温领域的市场空间。和其他类型的建筑保温材料或防水材料相比,聚氨酯硬泡材料具有一材多用的强大功效,兼具保温防水、隔音减噪等诸多功能。现阶段,在我国所有建筑材料中聚氨酯硬泡材料是导热系数与热阻值性能较为优良的建筑保温材料,其连续性较高、致密性较强和高强度的闭孔结构使得该类建筑保温隔热板拥有强大的阻水性能,优良的自粘接性能使其能与屋面或外墙结构等紧密粘结,从而使建筑工程结构抗风性能大幅度提升,为整体提升建筑工程结构质量做铺垫。
  1.3 在家具行业中的应用
  聚氨酯材料不仅具有较高的强度、较好的韧性和较坚韧的整体结构,更具有生产效率较高与生产工艺较为简单等重要特点。同时,和木材结构相比,聚氨酯材料具有高强度、低密度、可塑性强等重大优势,广泛应用于家具行业、装饰装修、工艺品生产等。一般而言,聚氨酯发泡材料主要用于家具行业,材料整体颜色、质感和加工性能等在一定程度上趋近于枫木和橡木等高级木材,更在强度、阻燃、隔音和抗变形等众多功能上优于木质材料。与此同时,聚氨酯材料所具备的低密度、轻质量和结构稳定等特性使得该类材料适用于各种复杂工艺雕花结构。而随着现代社会消费者家具需求观念和消费理念的进一步转变与聚氨酯材料制备工艺流程的优化等,聚氨酯发泡材料正以每年50%左右的增長速度迅猛发展,在家具行业拥有着广阔的发展前景。
  2 聚氨酯发泡主要技术及性能特点
  2.1 全水发泡
  全水发泡技术是利用水和异氰酸酯基发生一定化学反应生成二氧化碳并形成聚氨酯泡沫的环境友好型发泡技术,主要用于聚氨酯软块泡、模塑软泡及对保温要求较低的硬泡等的工业生产。在全水发泡的技术过程中,水主要扮演扩链剂的角色,在聚氨酯形成过程中发挥应有的作用。在聚氨酯硬泡和模塑软泡的工业生产过程中,相关工作人员常将聚醚多元醇、发泡剂、催化剂等混合,并在此基础上添加异氰酸酯成分,进而发生化学反应制得相应的泡沫塑料。在此过程中,该技术主要存在以下三个方面的缺陷:首先是物理发泡剂的缺失使得整个化学反应过程粘度大幅度提升,组合料之间的体系粘度较大,不适用于外墙保温或管道保温等需要现场喷涂或浇筑成型的场合。其次,由聚醚多元醇、发泡剂、催化剂等组成的混合成分的储存稳定性很有可能受到水的影响,而卤代烷磷酸酯等阻燃剂又会在一定程度上发生水解反应生成酸性物质造成胺类催化剂的失效,进而大幅度降低全水发泡技术的发泡效率。最后,水的大量存在会大幅度增加异氰酸酯基团的消耗量进而增加成本,而该过程属于放热过程,并不适用于厚度较大材料的制备。
  2.2 液态CO2发泡
  液态二氧化碳发泡技术是指在高压低温环境下,液态的二氧化碳与聚氨酯发泡原料相混合,在压力大幅度降低或温度突然升高时使混合物内的气体达到过饱和状态,引起气泡成核,进而使气泡核周围的微小分子不断向气泡核内扩散,使气泡快速长大并形成完整的泡沫体。通常而言,液态二氧化碳发泡技术主要用于聚氨酯软泡的生产,和水发泡软泡技术相比,液态二氧化碳发泡技术所得泡沫体手感更加柔软。但与此同时,该泡沫体系的实际温度会在化学反应完成后大幅度降低,使聚氨酯泡孔停止膨胀,从而使泡孔发生一定程度的收缩,难以有效保证气泡核快速形成过程的均匀分布,更难以保证气泡在实际生长过程的临界尺寸出现前快速定型。因此,液态二氧化碳发泡技术的成型难度较大,仅适用于软质块状泡沫和模塑泡沫的工业生产,在其它领域的推广应用较为困难。
  2.3 烷烃发泡
  烷烃发泡技术主要是指利用烷烃发泡剂促进化学反应从而生成硬质聚氨酯泡沫塑料的技术。一般情况下,烷烃发泡剂主要有环戊烷、异戊烷和丁烷等,但纯正的丁烷和正戊烷等的单独使用会在一定程度上影响化学反应效果,因此,纯正的丁烷或正戊烷等烷烃发泡剂常和环戊烷一起使用以保证其实际发泡效果。此外,戊烷类的烷烃发泡剂具有一定的可燃性,在工业生产车间累积到一定浓度时将存在爆炸危险。
  2.4 第三代发泡剂氢氟碳(HFC)发泡
  众所周知,氢氟碳化合物曾作为氯氟碳化合物替代技术的第三代发泡剂进行大规模的推广应用,部分商业化的小批量生产更将其用于聚氨酯塑料制品的生产和制备。相比氯氟碳化合物,氢氟碳化合物发泡剂不含氯元素,其臭氧消耗潜值为零,反应过程中不会有毒气等释放出,是重要的环境友好型发泡剂之一。同时,以氢氟碳化合物为发泡剂的泡沫体系整体流动性能较好,脱模时间较短,使得泡沫塑料制品的整体质量效果优良,广泛应用于冰箱、建筑物复合板材生产及喷涂等。但与此同时,氢氟碳化合物的发泡剂并无闪点,其蒸气气压较高,操作温度通常要求在沸点之下,必须使用耐压性能优良的容器进行储存,对发泡设备需要进行一定程度的改良优化。此外,氢氟碳发泡剂的发泡价格整体较为昂贵,这在一定程度上影响了其规模化生产和推广应用。   2.5 第四代发泡剂氟代烯烃(HCFO)发泡
  烷烃类发泡剂的易燃性质会使其在聚氨酯泡沫塑料行业的应用受到限制,而HCFC-141b发泡剂的禁用、氢氟碳化合物发泡剂价格高昂等因素缩小了它的使用范围,因此,有关工作人员正积极寻找第四代替代发泡剂,以促进聚氨酯泡沫塑料行业的进一步发展。在此过程中,部分含氟烯烃的发泡剂被应用到了下一代聚氨酯发泡的制备和研究中。一般而言,第四代发泡剂主要以三氯丙烯、LBA、六氟丁烯等为主要代表产品,这类发泡剂中含有一定数目的化学双键,其在普通大气环境中的衰退期较短,臭氧消耗潜值和GWP值等关系环保节能的重要指标较低,是较为理想的发泡剂原料之一。
  2.6 真空/减压发泡技术
  真空发泡技术也被人们称作减压发泡技术,主要是将发泡体系放置在一个相对较为密闭的负压强环境下,以负压环境降低聚氨酯泡沫生成过程中遇到的阻力值,从而达到充分填补模具、减少聚氨酯泡沫原始物料损耗和增加发泡剂使用效率的目的。进一步探究真空发泡技术可知,该技术主要是利用一定压力值的保护外壳包裹整个发泡模具,将保护外壳运送到真空输送带或一定范围的真空发泡区域中,在向保护外壳注射聚氨酯反应混合物的前后一定时间内向周围密闭空间施加一定压力,从而达到真空发泡技术所要求的模塑密度负压值,保证模塑件在真空环境中直至模塑件的泡孔结构完全稳定。目前,陶氏化学聚氨酯真空發泡技术在海尔公司的工业生产中已投入使用,该技术可缩短聚氨酯发泡脱模时间,从而提升企业生产效率。
  2.7 可逆吸收并释放CO2的发泡剂
  随着现代经济社会的发展和技术的进步,有关专家学者利用聚乙烯亚胺分子链上的大量氨基有效吸收了二氧化碳制成了聚乙烯亚胺二氧化碳加合物,并进一步将其添加到了聚氨酯泡沫发泡剂组成成分中,有效利用了聚氨酯发泡化学反应过程中释放的大量反应热使聚乙烯亚胺二氧化碳化合物中的二氧化碳释放出来,进而将其作为发泡剂促进聚氨酯发泡过程。而为进一步强化该类发泡剂和聚氨酯发泡成分的相容性,有关工作人员在聚乙烯亚胺分子链上连接了一定的聚醚侧链,在强化发泡剂和聚氨酯泡沫成分相容性的同时为制备密度较低的聚氨酯泡沫做出了重要贡献。同时,该类方法制造的聚氨酯泡沫力学性能与常用泡沫性能相当,其导热系数与聚苯乙烯泡沫不相上下,并在一定程度上高于传统聚氨酯泡沫,广泛适用于绝热性能要求较低的领域。但与此同时,可逆吸收并释放二氧化碳的发泡剂也在一定程度上存在不足,发泡剂原料混合物的粘度较高,发泡剂的发气量较少,不适用于制备硬度较低的泡沫。
  3 聚氨酯发泡剂使用现状及其在汽车行业应用的发展趋势
  3.1 使用现状
  聚氨酯泡沫材料由于其质量较轻、隔热性能良好和强度较高等优势被广泛应用于保温隔热领域,在冰箱冰柜、建筑保温隔热板及管道保温等行业得到了较大发展。有关数据显示,我国聚氨酯泡沫材料的需求量在2014年就已达到570万吨,并以每年5%左右的年增长率快速上涨。现阶段而言,氟烃类的聚氨酯发泡剂占据了我国较大市场,该类发泡剂的大量使用在极大程度上破坏了我国现有环境,使得原有生态系统平衡被打破,不利于人与自然的和谐相处。因此,如何改良优化现有聚氨酯发泡剂的各项性能,保证在有效应用聚氨酯材料的同时不破坏周围环境成为聚氨酯发泡剂研究的重要内容。
  3.2 汽车应用发展趋势
  综合探究聚氨酯材料在现代社会各行业的应用及各类聚氨酯发泡技术的优缺点可知,聚氨酯制品在汽车座椅海绵部件中的发展逐步朝着舒适性强、环保性高、多样性足和耐久性强等趋势发展。双硬度和硬度海绵的发展为人们在座椅不同区域舒适性和安全性的保证奠定了基础;一体成型发泡技术则进一步广泛应用于头枕、扶手等小型发泡产品,强化了其整体性能;慢回弹海绵作为记忆海绵,其受力会变形后逐步恢复至原状的性能为汽车座椅腰部支撑和头枕表面的完整性做出了重要贡献,广泛应用于汽车座椅的腰部支撑和头部靠枕表面。此外,水平双层发泡技术的进一步完善和成熟为保证和强化汽车座椅表层的柔软度适中和底层的硬度要求符合相关规定等提供了重要支撑。
  4 结语
  聚氨酯材料在人们的日常生活和工业生产中的应用较为广泛,因此,进一步改良优化聚氨酯发泡技术,在明晰聚氨酯材料现有使用状况的基础上把握聚氨酯材料的未来发展趋势,为更好地利用聚氨酯材料发展区域经济或工业生产做出应有的贡献。
  参考文献
  [1] 朱俊.聚氨酯发泡技术应用及发展趋势[J].化学工业,2013,31(05):36-39.
  [2] 郑琳飞.对环境友好的几种聚氨酯泡沫塑料发泡技术介绍[J].聚氨酯工业,2016,31(04):44-46.
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