汽车用MDI基高回弹泡沫

1 MDI基高回弹泡沫在汽车中的应用 赵祥成 赵怡 董京荣 陈殿成 （北京科聚化工新材料有限公司 北京 102200） 摘要：介绍了MDI基高回弹体系的特点，以及MDI基高回弹泡沫原料体系的选择。基于北京科聚化工新材料有限公司研制开发的Wannate7025和Wannate 8001 改性MDI产品，配合相应的组合聚醚，可以制备出满足汽车座垫要求的高回弹制品。 关键词：高回弹泡沫、MDI基、预聚体技术 1 前言 高回弹聚氨酯泡沫，是一种性能优良的软质泡沫塑料。除了具有普通软泡质轻、柔软、比强度高、绝热性好等优点外，还具有更高的回弹性、类似乳胶泡沫的手感和高度的舒适性[1,2]，因此广泛应用于汽车、家具等行业。 高回弹泡沫是由聚醚、异氰酸酯以及交/扩链剂、催化剂、泡沫稳定剂等组分发泡制备，其中异氰酸酯是配方的关键组分，对于生产工艺和产品的性能有重要影响。国内主要采用TDI/ PAPI体系，该体系工艺比较稳定，制品性能优良，回弹性高，但存在高的TDI用量而导致操作环境差，固化速度慢，以及低密度时泡沫硬度低的问题。相比之下，MDI具有低的蒸气压和高的反应活性，在生产环境、设备投入、生产效率以及泡沫性能方面具有明显优势[3]。 目前,北京科聚化工新材料有限公司采用多元醇预聚体技术，开发出Wannate7025 和Wannate 8001改性MDI产品，专门用于MDI基高回弹泡沫的生产。同时，基于Wannate 7025、 Wannate 8001改性MDI产品，开发的配套高回弹组合料技术，具有密度低、固化速度快、性能优良、通过简单指数变化制备双硬度泡沫等特点，能够帮助客户适应不断增长变化的汽车、家具用高回弹市场的激烈竞争。 2 MDI基高回弹体系主要特点 MDI在25℃蒸汽压是TDI的5000分之一[2]，因此，MDI基高回弹体系的生产环境明显比TDI体系好。其次，MDI与TDI分子结构的差异，也导致MDI基高回弹体系具有与TDI体系不同的特点： 2.1反应活性快 TDI体系中，TDI以2，4- TDI为主，由于空间位阻，当4-位异氰酸酯基团优先反应后，2位基团反应活性大大降低；而MDI基高回弹体系中，主要以结构对称的4，4-MDI为主，空间位阻较小，因此反应活性相对较高，从而导致MDI基体系具有固化速度快、脱模时间短的优点[3]，从而降低了能源消耗，同时又提高了生产效率。再者，由于反应活性较高，还可适当降低配方小分子胺催化剂的用量，在一定程度上降低了泡沫的雾化性能。 2 2.2自由发泡密度高 由于MDI中NCO%含量低于TDI，相同水量情况下，MDI体系自由发泡密度要高于TDI体系。图1比较了相同水量下，TDI与MDI体系的自由发泡密度差别。为了保证相同的发泡倍率，MDI体系需要更高的水量，而水量提高将明显影响泡沫回弹性等基本物性。因此，MDI体系高回弹泡沫研制，尤其是低密度化，对配方的技术水平较TDI体系提出了更高的要求。

2.02.53.03.54.04.55.020253035404550

TDI基泡沫MDI基泡沫

自由 发泡 密 度 （kg/m 3）

水量(pbw) 图1 TDI与MDI体系自由发泡密度与水量关系 2.3 泡沫硬度高 与TDI相比， MDI有两个苯环，内聚能较高，制备的泡沫硬度较高。因此，可以不需要或使用少量聚合物多元醇来增强泡沫硬度，一方面可以弥补密度对成本的影响，另一方面减轻了聚醚体系中小分子有机物对泡沫雾化性能的影响。 MDI基高回弹泡沫另一突出的优点：泡沫硬度随异氰酸酯指数影响比较明显，图2 显示了随着异氰酸酯指数的变化，TDI与MDI体系不同的硬度变化趋势。正因为这种特点，MDI基配方体系在双硬度高回弹泡沫制备方面显示了其它体系无可比拟的优势。

80901001101202468101214

MDI基泡沫

TDI基泡沫 CLD40%( kPa)

异氰酸酯指数 3 图2 TDI与MDI体系硬度随指数变化曲线 2.4 泡沫舒适性好 汽车座椅的基本功能是为乘客提供适当的身体支撑，这就对泡沫在静态和动态条件下的舒适性提出了严格要求。MDI基高回弹泡沫具有良好的静态舒适性能，其舒适因子（65%ILD/25%ILD比值）可达到3.0，而 TDI基泡沫则很难超过2.7；动态舒适性主要与座椅的振动性能有关，MDI基泡沫具有良好的振动阻尼性能，对于从座椅底部传递过来的振动放大效应较小 [2,6]，因此，可提供给乘客良好的驾驶舒适性。 3 MDI基高回弹原料体系选择 由于MDI与TDI结构的差异，导致了不同的反应特性和物性，因此，与TM体系相比，MDI基高回弹体系在配方原料选择方面有着不同的特点： MDI基高回弹体系中，基础聚醚一般采用环氧乙烷封端的聚醚三元醇，常用分子量在4000~7000之间；聚合物多元醇则可少用或是不用，而在TM体系中必须加入聚合物多元醇保证泡沫硬度。由于MDI体系的高反应活性，硅油一般采用低活性硅油即可。催化剂采用普通胺催化剂，也可添加延迟性胺催化剂提高体系流动性。 异氰酸酯组分是配方的关键组分，对于生产工艺和产品的性能均有重要影响。MDI基高回弹体系中，异氰酸酯组分主要以预聚体形式存在。之所以采用MDI预聚技术，其原因在于：MDI基泡沫自由发泡密度较TDI基高，为了维持相同的发泡密度，MDI基体系需要较高的水量。但随着体系中水量增加，脲基/氨基甲酸酯比例增高，易使脲相从聚醚软段微区分离出来，导致泡沫不稳定，并导致泡沫低回弹性和较差的老化性能[7]。采用预聚体技术制备MDI基高回弹泡沫，即使用高分子量、多羟基化合物与MDI反应形成预聚物，可以实现对发泡过程中相分离过程的控制，从而达到改善泡沫最终性能的目的。尤其在制备低密度泡沫时，MDI预聚体技术则显得更为重要。其次，对MDI的预聚改性也可明显改善MDI组分的贮存性能。如今的MDI基高回弹体系，MDI预聚体技术是应用比较广泛和成熟的技术。 4 试验部分 4.1 试验原料 Wannate 7025: NCO%：36.0；粘度（25℃）：15mPa.s 烟台万华 Wannate 8001: NCO%：29.2；粘度（25℃）：88mPa.s 烟台万华 TEP330N：环氧乙烷封端，羟值33~37mgKOH/g 天津石化三厂 POP3628：聚合物多元醇：羟值25～29 mgKOH/g 天津石化三厂 Wanol F5342：羟值40～45 mgKOH/g 烟台万华 4 B8715：泡沫稳定剂 高施米特公司 复合胺催化剂 自制 4.2 发泡工艺及测试标准 按照一定比例称取聚醚、交联剂、水、硅油、催化剂，记为A组分，搅拌均匀；改性MDI产品记为B组分。A、B料温控制在25±1℃，模温控制在45~55℃。将B料倒入A料，充分搅拌5-6s，迅速倒入模具（40cm×40 cm×10 cm）中，合模，3~5min后脱模。样品在温度25℃、湿度50％下熟化72小时后按标准制样测试性能（见表1）。 表1 泡沫测试内容及引用标准 物 性 单 位 测试标准 密度 kg/m3 ISO 845 40% CLD kPa ISO 3386 拉伸强度 kPa ISO 1798 撕裂强度 N/cm ISO 8067 断裂伸长率 % ISO 1798 50%压缩变形（干） % ISO 1856 4.3 试验结果 Wannate 7025和Wannate 8001是改性二苯基甲烷二异氰酸酯与多苯基甲烷多异氰酸酯的混合物，所不同的是：Wannate 7025还含有少量TDI成分，两种改性MDI产品均可在室温长时间贮存。 Wannate 8001具有较高的发泡倍率，并赋予制品优良的机械性能，适合于中低密度泡沫制备。Wannate 7025由于含有少量TDI，借鉴了TDI体系高发泡倍率、低密度化优点，同时又具备MDI体系硬度高，且泡沫硬度随异氰酸酯指数影响比较明显的优点。因此，Wannate 7025和8001对于制品低密度化方面具有一定优势，可用于较低密度高回弹泡沫的制备。 表3列出了采用Wannate 7025、Wannate 8001改性MDI产品，其发泡参数和物性测试数据。组合聚醚均采用表2列举配方。 表2 组合聚醚基础配方 配方 用量，g TEP330N 70～100 POP3628 0 ～30 Wanol F5342 0～3 DEOA 0.5～1.5 H2O 3.2～4.5 B8715 0.5～1.0 复合胺催化剂 0.5~1.0 改性MDI指数 80～100 表3 两种改性MDI产品发泡参数和力学性能数据 Wannate7025 Wannate8001 工艺性能 乳白时间，s 7 7 9 5 凝胶时间，s 64 62 65 脱模时间，s 180 180 180 力学性能 芯密度，kg/m3 37.2 48.3 52.1 40% CLD， kPa 4.2 6.3 6.4 拉伸强度，kPa 139 153 114 撕裂强度，N/cm 2.81 2.58 3.16 断裂伸长率，% 90.0 105.1 106.2 50%干压缩变形，% 8.5 6.2 4.8 从表3数据可以看出，采用Wannate7025 与Wannate8001改性MDI可以制备较低密度高回弹制品，该体系具有固化速度快，脱模时间短，舒适性好等明显优点，且各项力学性能指标能满足汽车座垫的要求。 5 结束语 在如今崇尚环保、重视轿车乘坐舒适性的时代，MDI基高回弹泡沫具有生产环境好、舒适性及综合性能优良的优点，被越来越多的汽车座椅生产商所接受。北京科聚化工新材料有限公司针对汽车座椅市场，研制开发的Wannate7025 和Wannate 8001 改性MDI产品，以及配套的组合料技术，可以满足客户对MDI基高回弹座垫的性能要求，并能够帮助OEM适应不断增长变化的汽车座椅市场的激烈竞争。 参考文献： 1． 方禹生 朱吕民，聚氨酯泡沫塑料。 2． 胡忠伟，冷熟化HR配方体系的比较，黎明化工，1992（3）。 3． 李俊贤，塑料工业手册。 4． Haggerty T.I., Katz J.J., Watts A., Brooks M.F., Proceedings of the SPI Conference, Texas, 1984, pg. 70 5． Pham T., Van Assche J., Watts A., Lockwood R.J., Proceedings of the SPI Conference, Aachen, 1987, pg. 532 6． J Cell Plast，1998，9（37）：pg. 430 7． J Cell Plast，1996，7（32）：pg. 390