实验1聚氨酯泡沫塑料的制备 聚氨酯是由异氰酸酯和羟基化合物通过逐步加聚反应得到的聚合物。它具有各方面的 优良性能，因此得到广泛的应用。目前的聚氨酯产品有：聚氨酯橡胶、聚氨酯泡沫塑料、 聚氨酯人造革、聚氨酯涂料及粘结剂。其中以聚氨酯泡沫塑料的产量最大，由于它具有消 音、隔热、防震的特点，主要用于各种车辆的坐垫、消音防震材料以及各种包装用途。 一、实验目的 熟悉多种不同密度软质和硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，了解聚氨酯泡沫塑料发泡 的原理。对此软硬泡沫使用原料的不同，合理设计配方，掌握分析影响泡沫材料性能的工 艺因素。 二、基本原理 聚氨酯泡沫的形成是一种比任何其它聚氨酯的形成都远为复杂的过程，除在聚合物系 统中的化学和物理状态变化之外：泡沫的形成又增加了胶体系统的特点。要了解聚氨酯泡 沫的形成，还须涉及气体发生和分子增长的高分子化学、核晶过程和稳定泡沫的胶体化学 以及聚合体系熟化时的流变学。 聚氨酯泡沫的制造分为三种：预聚体法、半预聚体法和一步法。本实验主要采用一步 法。一步法发泡即是捋聚醚或聚酯多元醇、多异氰酸酯、水以及其他助剂如催化剂、泡沫 稳定剂等一次加入，使链增长、气体发生及交联等反应在短时间内几乎同时进行，在物料
实验 1 聚氨酯泡沫塑料的制备 聚氨酯是由异氰酸酯和羟基化合物通过逐步加聚反应得到的聚合物。它具有各方面的 优良性能，因此得到广泛的应用。目前的聚氨酯产品有：聚氨酯橡胶、聚氨酯泡沫塑料、 聚氨酯人造革、聚氨酯涂料及粘结剂。其中以聚氨酯泡沫塑料的产量最大，由于它具有消 音、隔热、防震的特点，主要用于各种车辆的坐垫、消音防震材料以及各种包装用途。 一、 二、 实验目的 熟悉多种不同密度软质和硬质聚氨酯泡沫塑料的制备方法，了解聚氨酯泡沫塑料发泡 的原理。对比软硬泡沫使用原料的不同，合理设计配方，掌握分析影响泡沫材料性能的工 艺因素。 基本原理 聚氨酯泡沫的形成是一种比任何其它聚氨酯的形成都远为复杂的过程，除在聚合物系 统中的化学和物理状态变化之外；泡沫的形成又增加了胶体系统的特点。要了解聚氨酯泡 沫的形成，还须涉及气体发生和分子增长的高分子化学、核晶过程和稳定泡沫的胶体化学 以及聚合体系熟化时的流变学。 聚氨酯泡沫的制造分为三种：预聚体法、半预聚体法和一步法。本实验主要采用一步 法。一步法发泡即是将聚醚或聚酯多元醇、多异氰酸酯、水以及其他助剂如催化剂、泡沫 稳定剂等一次加入，使链增长、气体发生及交联等反应在短时间内几乎同时进行，在物料
混合均匀后，1~10秒即行发泡，0.5-3分钟发泡完毕并得到具有较高分子量一定交联密度的 泡沫制品。要制得泡沫孔径均与和性能优异的泡沫，必须采用复合催化剂、外加发泡剂和 控制合适的条件，使三种反应得到较好的协调。在聚氨酯泡沫制备过程中主要发生如下反 应。 1.预聚体的合成 由二异氰酸酯与聚醚或聚酯多元醇反应生成含异氰酸酯端基的聚氨酯预聚体。 OCN-R-NCOHOOHRMMR-NCO 2.气泡的形成与扩链 异氰酸根与水反应生成的氨基甲酸不稳定，分解生成胺与二氧化碳，放出的二氧化碳 气体在聚合物中形成气泡，并且生成的端氨基聚合物可与异氰酸根进一步发生扩链反应得 到含脲基的聚合物。 nNC0+HO→nNH-C-OH→NH+C2 WNCO选nN-8-m 3.交联固化 异氰酸根与脲基上的活泼氢反应，使分子链发生交联，形成网状结构
混合均匀后，1~10 秒即行发泡，0.5~3 分钟发泡完毕并得到具有较高分子量一定交联密度的 泡沫制品。要制得泡沫孔径均匀和性能优异的泡沫，必须采用复合催化剂、外加发泡剂和 控制合适的条件，使三种反应得到较好的协调。在聚氨酯泡沫制备过程中主要发生如下反 应。 1．预聚体的合成 由二异氰酸酯与聚醚或聚酯多元醇反应生成含异氰酸酯端基的聚氨酯预聚体。 OCN R NCO + HO OH OCN R NH C O O C NH R NCO O O 2．气泡的形成与扩链 异氰酸根与水反应生成的氨基甲酸不稳定，分解生成胺与二氧化碳，放出的二氧化碳 气体在聚合物中形成气泡，并且生成的端氨基聚合物可与异氰酸根进一步发生扩链反应得 到含脲基的聚合物。 NCO + H2O NH C OH NH2 +CO2 NH2 + NCO 扩链 NH C NH O 3．交联固化 异氰酸根与脲基上的活泼氢反应，使分子链发生交联，形成网状结构
5 NH NH+OCN-R- H+OCN-R一NCO+NH OCN- -CONH-R一NCO一NH 聚氨酯泡沫塑料按其柔韧性可分为软泡沫和硬泡沫，主要取决于所用的聚壁或聚酯多 元醇，使用较高分子量及相应较低羟值的线形聚醚或聚酯多元醇时，得到的产物交联度较 低，为软质泡沫：若用短链或支链较多的聚醚或聚酯多元醇时，为硬质泡沫。根据气孔的 形状聚氨酯泡沫可分为开孔型和闭孔型，可通过添加助剂来调节。乳化剂可使水在反应混 合物中分散均匀，从而可保证发泡的均匀性；稳定剂可防止在反应初期泡孔结构的破环。 主要影响因素如表1所示。 表1制备泡沫塑料时产生的疵病原因及解决办法 疵病 可能原因 解决办法 发泡后期凝胶速度大于气体减少有机锡催化剂用量，或 发生速度 提高胺类催化剂用量 开裂 物料温度过高 调整物料温度 异氰酸酯用量不足 调整异氰酸酯用量
NH + OCN R NCO + NH CO P CO P NH NH + OCN R NCO + R NH CO P CO P NH NH OCN R NCO N CONH NCO 聚氨酯泡沫塑料按其柔韧性可分为软泡沫和硬泡沫，主要取决于所用的聚醚或聚酯多 元醇，使用较高分子量及相应较低羟值的线形聚醚或聚酯多元醇时，得到的产物交联度较 低，为软质泡沫；若用短链或支链较多的聚醚或聚酯多元醇时，为硬质泡沫。根据气孔的 形状聚氨酯泡沫可分为开孔型和闭孔型，可通过添加助剂来调节。乳化剂可使水在反应混 合物中分散均匀，从而可保证发泡的均匀性；稳定剂可防止在反应初期泡孔结构的破坏。 主要影响因素如表 1 所示。 表 1 制备泡沫塑料时产生的疵病原因及解决办法 疵病 可能原因 解决办法 开裂 发泡后期凝胶速度大于气体 发生速度 物料温度过高 异氰酸酯用量不足 减少有机锡催化剂用量，或 提高胺类催化剂用量 调整物料温度 调整异氰酸酯用量
气体发生速度过快 减少胺类催化剂用量 凝胶速度过慢 增加有机锡类催化剂 泡沫崩塌 硅油稳定剂不足或失败 增加硅油用量 物料配比不准 调节至一定范围 搅拌速度不当 调节至一定范围 凝胶速度大于发泡速度 使发泡速度平衡 泡沫收缩 搅拌速度太慢 增加搅拌速度 异氰酸酯用量过多 减少用量 结构模糊 搅拌速度过快 适当减慢速度 气泡严重 物料计量不准 检查各组分，计量准确 三、仪器与原料 1.仪器 烧杯、玻棒、台称、纸杯、烘箱。 2.原料 原料 高密度泡沫 中密度泡沫 低密度泡沫 聚酿330 100 100 甲苯二异氰酸酯 30-35 35-40 37-42 水 1.5-2.5 2.53 335 辛酸亚锡 01-02 02-0.3 02-03 三乙基二胺 0.2-0.3 0.10.2 0.1-02
泡沫崩塌 气体发生速度过快 凝胶速度过慢 硅油稳定剂不足或失败 物料配比不准 搅拌速度不当 减少胺类催化剂用量 增加有机锡类催化剂 增加硅油用量 调节至一定范围 调节至一定范围 泡沫收缩 凝胶速度大于发泡速度 搅拌速度太慢 异氰酸酯用量过多 使发泡速度平衡 增加搅拌速度 减少用量 结构模糊 气泡严重 搅拌速度过快 物料计量不准 适当减慢速度 检查各组分，计量准确 三、仪器与原料 1．仪器 烧杯、玻棒、台称、纸杯、烘箱。 2．原料 原料 高密度泡沫 中密度泡沫 低密度泡沫 聚醚 330 100 100 100 甲苯二异氰酸酯 30~35 35~40 37~42 水 1.5~2.5 2.5~3 3~3.5 辛酸亚锡 0.1~0.2 0.2~0.3 0.2~0.3 三乙基二胺 0.2~0.3 0.1~0.2 0.1~0.2
硅油 1.0-2.0 1.0-2.0 1.5-2.5 二氯甲烷 0.5-1.5 0.515 1.52.5 防老剂 0.1-0.4 0.1-0.4 0.1-0.4 四、实验步骤 1.将除甲苯二异氰酸酯外的组分按重量称取于一个纸杯中，然后加入一定重量的甲苯 二异氰酸酯，迅速搅拌约30秒，观察发泡过程 2.室温静置20分钟后，将泡沫在90-120℃烘箱中熟化1小时左右，移出烘箱冷至室 温。 3.按照高、中、低密度的三种配方各制备一次，若有失败，找出原因重做。 4.将三种密度泡沫取样测试密度、抗张强度、撕裂强度、压缩强度和回弹性，测试所 得各项性能列表对比。 5.参考有关资料设计一个硬质聚氨酯泡沫的配方，根据设计的配方参照上面的实验步 骤制备硬质聚氨酯泡沫。 五、思考题 1.对比三种配方制备的软质聚氨酯泡沫的性能，分析影响密度的因素有哪些？ 2.聚氨酯泡沫塑料的软硬由哪些因素决定？ 3.如何保证均匀的泡孔结构？ 六、参考文献 1.梁晖等主编.高分子化学实验.北京：化学工业出版社，2004
硅油 1.0~2.0 1.0~2.0 1.5~2.5 二氯甲烷 0.5~1.5 0.5~1.5 1.5~2.5 防老剂 0.1~0.4 0.1~0.4 0.1~0.4 四、 五、 六、 实验步骤 1．将除甲苯二异氰酸酯外的组分按重量称取于一个纸杯中，然后加入一定重量的甲苯 二异氰酸酯，迅速搅拌约 30 秒，观察发泡过程。 2．室温静置 20 分钟后，将泡沫在 90~120℃烘箱中熟化 1 小时左右，移出烘箱冷至室 温。 3．按照高、中、低密度的三种配方各制备一次，若有失败，找出原因重做。 4．将三种密度泡沫取样测试密度、抗张强度、撕裂强度、压缩强度和回弹性，测试所 得各项性能列表对比。 5．参考有关资料设计一个硬质聚氨酯泡沫的配方，根据设计的配方参照上面的实验步 骤制备硬质聚氨酯泡沫。 思考题 1．对比三种配方制备的软质聚氨酯泡沫的性能，分析影响密度的因素有哪些？ 2．聚氨酯泡沫塑料的软硬由哪些因素决定？ 3．如何保证均匀的泡孔结构？ 参考文献 1．梁晖等主编. 高分子化学实验. 北京：化学工业出版社，2004