李 寧 董火成 孫嘉鵬 趙修文 申少偉

(黎明化工研究設(shè)計院有限責任公司國家反應(yīng)注射成型工程技術(shù)研究中心 河南 洛陽 471000)

在客車生產(chǎn)中，為達到穩(wěn)固車身、降低噪音和隔熱保溫目的，車輛側(cè)板、門板、頂棚內(nèi)需填充聚氨酯泡沫材料[1]。目前國內(nèi)在車身使用的泡沫材料工藝主要有傳統(tǒng)粘貼泡沫片材(貼“棉”)和全水噴涂兩種。全水噴涂泡沫較傳統(tǒng)貼“棉”優(yōu)點突出:(1)采用全水發(fā)泡，全球變暖潛能值極低，符合環(huán)保要求[2]；(2)泡沫密度小(8～10 kg/m3)，輕質(zhì)節(jié)能；(3)具有較高的開孔率，吸聲效果好；(4)生產(chǎn)效率高?；谝陨现T多優(yōu)點，其已成為新一代車身保溫、填充的高端材料[3]。

然而，由于全水噴涂泡沫配方中水發(fā)泡劑需過量，但水在聚醚多元醇中溶解度較差，導致在應(yīng)用過程中聚醚組分易分層，在噴涂施工過程中易出現(xiàn)料液流掛現(xiàn)象。聚醚組分因存在水分子的氫鍵作用，導致水以微滴的形式存在于體系中，無法以分子形式分散到發(fā)泡組合物中，發(fā)泡過程中易局部過度反應(yīng)和發(fā)泡，造成泡孔的分布和尺寸不均勻[4]，出現(xiàn)內(nèi)部缺陷。本研究通過添加自制白炭黑漿料，可有效改善以上問題。

1 實驗部分

1.1 主要原料和設(shè)備

聚合MDI(牌號Suprasec5005)，美國Huntsman公司；聚醚三醇EP-3600(羥值26～30 mgKOH/g)、DV125(羥值440～460 mgKOH/g)，山東藍星東大化工有限責任公司；聚合物多元醇 CHP-H45(羥值19～23 mgKOH/g)，江蘇長華化學科技股份有限公司；阻燃劑TCPP、TCEP，浙江淳安助劑廠；催化劑PT306、PT308、A-1，常州市瑞澳添加劑有限公司；有機硅勻泡劑L6900、L6863，邁圖公司；硅烷偶聯(lián)劑KH-560，道康寧化學有限公司；白炭黑，廣州吉必盛科技實業(yè)有限公司。以上均為工業(yè)級。去離子水，自制。

SF型智能分散砂磨機，深圳精達儀器廠；DF20/35型雙組分噴涂機，北京東盛富田有限公司；101A-3型電熱鼓風恒溫干燥箱，上海市崇明實驗儀器廠；AWA6290T吸聲測量系統(tǒng)，杭州愛華儀器有限公司；用于模擬客車車身噴涂生產(chǎn)線的600 mm×400 mm×2 mm鋁板2塊、500 mm×300 mm×30 mm鋁框2個，自制。

1.2 聚醚組分的制備

將50.0 g白炭黑和100 mL偶聯(lián)劑KH-560分散于1 000 g的去離子水中，2 600 r/min高速攪拌40 min，得到白炭黑漿料。聚醚組分配方見表1。

根據(jù)表1配方稱取相應(yīng)的聚醚三醇、聚合物多元醇、阻燃劑、催化劑和勻泡劑，放入開口容器中。在25～40℃下攪拌30 min后，邊攪拌邊添加自制白炭黑漿料和去離子水，添加完后25～40℃再攪拌60 min，得到聚醚組分。其中，根據(jù)白炭黑漿料的添加量(質(zhì)量分數(shù))0、0.13%、0.26%、0.39%、0.52%標記為1?！?＃的5組樣品。

表1 聚醚組分配方

1.3 噴涂聚氨酯泡沫的制備

以聚合MDI作為異氰酸酯組分，使用DF20/35型噴涂機制備噴涂泡沫。工藝參數(shù)如下:聚醚組分和異氰酸酯組分料溫均為55℃，壓力均為7.6 MPa；兩個組分體積比1∶1。基材為自制鋁板和鋁框，模擬客車涂裝生產(chǎn)線進行噴涂發(fā)泡。

1.4 分析與測試

聚醚組分黏度按GB/T 12008.7—2010進行測定。聚醚組分相容性測試方法:稱取聚醚組分800～900 g裝入1 L廣口瓶中，靜置40 d后觀察料液的分層情況。

噴涂施工過程評價方法:鋁板、鋁框懸掛高處或豎立放置，模擬客車涂裝線用噴槍進行噴涂。觀察噴槍口料液的霧化效果及槍口的殘存物料，記錄起發(fā)時間，觀察起發(fā)過程有無滴落流掛現(xiàn)象。

泡沫收縮、內(nèi)部缺陷的評價方法:混合料液噴涂在自制鋁板和鋁框上，發(fā)泡完成，常溫放置30 min后，觀察泡沫與鋁框立面之間有無脫離，如有脫離但縫隙寬度≤0.6 mm，判定泡沫無收縮；將泡沫體破壞，如果發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在體積≥40 cm3的孔洞即計為有一處內(nèi)部缺陷。材料從鋁板和鋁框剝離后，采用百格法測試材料的附著面積。

吸聲系數(shù)按GB/T 18696.2—2002中的第2部分傳遞函數(shù)法進行測試，試樣直徑100 mm，厚度30 mm，頻率范圍 50～6 300 Hz。

泡沫材料密度按GB/T 1033—2008進行測定；氧指數(shù)按GB/T 2406.2—2009進行測定；水平燃燒按GB 8410—2006進行測定；導熱系數(shù)按 GB/T 10294—2008進行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 白炭黑漿料添加量對聚醚組分黏度的影響

白炭黑具有增稠觸變性，對液體介質(zhì)的黏度影響較大，表2為不同配方體系下聚醚組分的黏度。

表2 白炭黑漿料添加量對聚醚組分黏度的影響

由表2可知，隨著白炭黑漿料添加量的增加，聚醚組分的黏度明顯增加，這是因為白炭黑聚集體可通過表面羥基間的氫鍵連接在一起，形成三維的二氧化硅網(wǎng)絡(luò)，料液被包裹在二氧化硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，這種結(jié)構(gòu)能提高體系的中低剪切黏度。

2.2 白炭黑漿料添加量對聚醚組分相容性的影響

聚醚組分中的高水量易引起油水分離，整個體系相容性差，在存儲過程中易分層，影響施工。圖1為不同白炭黑漿料添加量下聚醚組分靜置40 d后的分層情況。

圖1 不同白炭黑漿料添加量下聚醚組分的分層情況

由圖1可見，靜置40 d后，1＃樣品有明顯的分層；2＃樣品有少量上清液析出但不明顯；3＃、4＃、5＃樣品無明顯分層。這是因為白炭黑表面含有大量的羥基，親水性較好。漿料中添加的硅烷偶聯(lián)劑KH-560可對二氧化硅改性，部分硅醇鍵與KH-560反應(yīng)生成了共價鍵，KH-560的另一端環(huán)氧基團親油性較好，白炭黑漿料發(fā)揮了“橋梁”作用，阻止了體系的油、水界面形成，同時觸變效應(yīng)使料液黏度變大，也減緩了分層現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響

客車內(nèi)噴涂多為頂面和立面噴涂施工，易產(chǎn)生流掛、流痕甚至滴落情況。若料液大量滴落，將影響工人施工，并造成物料浪費。所以噴涂施工過程要求液料霧化效果好、起發(fā)速度適中、無滴落流掛、噴槍口處殘留料少。表3為白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響，其中的實驗編號與使用聚醚組分樣品編號一致。

表3 白炭黑漿料添加量對噴涂施工過程的影響

由表3可知，5個配方起發(fā)時間都為3～4 s，發(fā)泡速度適中，沒有明顯區(qū)別；1＃有明顯的流掛滴落現(xiàn)象，3＃、4＃、5＃均未出現(xiàn)滴落，說明白炭黑漿料可解決流掛滴落問題。這是因為在該體系中白炭黑有效發(fā)揮了觸變劑作用。但隨著白炭黑漿料添加量的增加，聚醚組分黏度明顯增加，導致4＃、5＃聚醚組分和異氰酸酯組分混合霧化效果變差，槍口殘留物料變多。5＃施工時，經(jīng)常發(fā)生堵槍現(xiàn)象，需反復清理槍口，影響了施工效率。綜上所述，3＃聚醚配方體系白炭黑漿料質(zhì)量分數(shù)0.26%時，施工效果較好。

2.4 對泡沫收縮、內(nèi)部缺陷及附著面積的影響

客車車身經(jīng)噴涂施工后，客車廠一般驗收標準有:泡沫無明顯收縮，整車泡沫內(nèi)部缺陷個數(shù)≤5個，泡沫材料在鋁板上的附著面積≥90%。

圖2為白炭黑漿料的添加量對材料收縮、內(nèi)部缺陷及鋁板上附著情況的圖片。

圖2 白炭黑漿料對泡沫材料收縮、泡沫內(nèi)部及鋁板上附著面積的影響

由圖2可見，以上配方所制備的泡沫材料內(nèi)部均無缺陷。1＃泡沫在鋁板框表面無附著；2＃配方泡沫少量附著在鋁板框上；3＃、4＃、5＃泡沫大量附著在鋁板框上。附著面積測試結(jié)果如表4所示。

表4 白炭黑漿料添加量對泡沫材料附著面積的影響

由表4 可知，3＃、4＃、5＃配方體系下的泡沫材料附著在鋁板框上的面積均超過了90%。這是因為白炭黑漿料中含有硅羥基，可與鋁板表面含有結(jié)晶水的金屬氧化物相互作用，且KH-560水解后可生成硅醇基，分子鏈中含有強極性環(huán)氧基團，均可有效提高泡沫材料的附著力。

5＃配方體系下的泡沫在人為破壞前出現(xiàn)了明顯的收縮，與鋁板框脫開了一條裂縫，而 1＃、2＃、3＃、4＃均緊貼鋁板框。這是因為白炭黑在聚氨酯泡沫核化過程中起到成核劑的作用，增加了氣泡濃度，致使體系內(nèi)泡體密堆積，孔徑減小，可有效改善泡孔結(jié)構(gòu)，使泡孔更細膩、均勻。隨著白炭黑漿料添加量的增加，不規(guī)則泡孔數(shù)量逐漸減少，孔徑變小。但白炭黑漿料用量過大時，如5＃配方，會導致泡沫閉孔收縮。

2.5 白炭黑漿料添加量對材料吸聲性能的影響

聚氨酯泡沫為多孔材料且孔洞相互貫通，其綜合了一般多孔型材料和柔性材料的阻尼吸聲機理的特性，具有較好的吸聲、隔聲性能。圖3為白炭黑漿料添加量對泡沫材料吸聲性能的影響。

圖3 白炭黑漿料添加量對泡沫材料吸聲性能的影響

由圖3可知，在低頻50～500 Hz范圍，5條吸聲曲線基本一致，吸聲系數(shù)均小于0.2，吸聲效果較差。在中頻500～1 600 Hz范圍，泡沫的吸聲效果都在逐漸變好，添加了白炭黑漿料的2＃、3＃、4＃泡沫的吸聲系數(shù)高于1＃的，是因為白炭黑的勻泡效果使泡孔更細膩、均勻，從而提高了材料的吸聲系數(shù)；而5＃因為泡沫存在較多閉孔，部分空隙間的連通中斷，導致吸聲能力下降；在高頻1 600～6 300 Hz范圍，泡沫材料吸聲系數(shù)呈波浪型，時高時低，但均高于0.4，而3＃、4＃泡沫材料的吸聲性能更優(yōu)，吸聲系數(shù)均在0.5以上，說明對于高頻聲波這兩種泡沫材料整體吸聲效果較好。

2.6 泡沫材料性能測試

綜合分析評價，3＃聚醚組分配方較好，故對3＃配方所制備的泡沫材料進行性能測試，結(jié)果見表5。

表5 泡沫材料性能測試結(jié)果

由表5可知，所制備泡沫材料密度小，出方量高；阻燃性好，可離火自熄；導熱系數(shù)小，隔熱效果好。

3 結(jié)論

(1)白炭黑漿料在聚醚組分中的添加質(zhì)量分數(shù)0.26%時，可有效解決聚醚組分易分層問題；施工過程噴涂混合料液霧化效果好，無滴落現(xiàn)象，噴槍口處殘留物料少；泡沫可緊貼客車車身鋁板框，無收縮；泡沫材料破壞后在鋁板框上的附著面積高達95%，泡沫體內(nèi)部及泡沫與基材間無空洞；材料的阻燃、隔熱、降噪的性能較好。

(2)作為車體內(nèi)襯增強材料，該聚氨酯泡沫可在車廂內(nèi)形成無縫氣密密封層，有效減少熱損失、噪音和振動，提高駕乘人員的舒適性。