硬泡聚氨酯保温板简要化学反应原理

聚氨酯硬泡外保温系统工程质量要达到规定标准,不仅涉及设计和施工(安装)技术,更重要的是系统所用材料质量必须合格。

熟练掌握聚硬泡聚氨酯保温板(喷涂、浇注或制板材)原料配制,是一项常用和必须掌握的基本技能,当出现组合料(A组分)原料变化、研制新项目或现场施工环境温度变化及生产板材工艺条件变化等因素时,都需在试验室或施工现场针对具体问题重新试调配。调配好的原料经发泡后,按各项技术性能指标进行测试,合格后再结合原料成本进行评价,通过确认的最佳合格配方来指导工厂生产和现场应用。

硬泡聚氨酯复合板发泡形成过程是非常复杂的化学反应历程,A组分和B组分通过复杂的放热化学反应和物理变化,在反应过程中是多种化学反应在很短时间内同时平衡发生。力的平衡在整个时间内被用来维持气体在乳液中分散的稳定性,例如,乳液体积迅速增加,温度和黏度同时递增,从开始到完成发泡一般在1~2min。当体积增长停止,液相变成固体,温度在短时间内还可以继续上升,直到泡沫最终冷却至室温。

硬泡聚氨酯保温板发泡过程中的反应都是放热反应,加上制备硬泡用聚醚和聚异氰酸酯又是多官能度,交联密度高,在发泡过程中会出现更高的放热反应,因而称其为热固性塑料,而不属于热塑性。

硬泡聚氨酯保温板通过改变、改性聚合物多元醇,改变助剂(填料)和改变异氰酸酯指数等因素,能分别制成不同密度、硬度、耐温范围、难燃等级和闭孔率大小的硬泡制品。

(一)聚氨酯保温板泡沫发泡法

聚氨酯硬泡(喷涂、浇注或生产聚氨酯硬泡板材)和聚氨酯软泡(含半软半硬泡)的合成有预聚体法和一步发泡法成型,目前最常用的是一步发泡成型法。预聚体法和一步发泡法成型工艺比较如图。

(二)通用型聚酯硬泡化学反应

聚氨酯硬泡是以含有羟基的聚合物多元醇(如用石油产品为基础的普通聚醚多元醇聚酯多元醇及天然植物油类多元醇或各个聚合物多元醇适当比例的混合)与助剂共同构成,聚合物多元醇组合材料(A组分)与聚异氰酸酯(B组分)(如MDI)为两大主体材料。将A、B两大组分的材料按设定的重量(或化学当量)比例,经机械充分搅拌混合均匀后,在A组分中催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂等化学助剂作用下,各组成化学成分间产生的复杂化学交联反应和物理变化过程完成后,发泡、固化成型。聚醚型聚氨酯硬泡结构式tar-nO一R)其中,R=(R-C-O-R,Ar为芳基在反应过程中,主要有聚合物多元醇中所含活性羟基(一OH1)与异氰酸酯中所含异氰酸酯基团(一NCO))的聚合反应,生成聚氨酯主链,以及分子链增长、交链、气体膨胀产生泡沫体等反应,几种化学反应同时发生不可逆的化学反应。

1.聚醚多元醇与异氰酸酯反应,生成氨基甲酸酯,即链增长反应。它既发生在主要原料之间,也发生在链增长过程中。

2.聚异氰酸酯与水(起内发泡剂作用)反应,生成二氧化碳及脲,即放气反应

3.聚异氰酸酯与式(3)生成的脲反应,生成缩二脲,即交联反应

4.聚异氰酸酯与式(1)生成的氨基甲酸酯反应,生成脲基甲酸酯,即交联反应

(三)聚异氰酸酯改性聚氧酯硬泡化学反应

聚异氰脲酸酯( Polyisocy anurate,PIR)硬泡同属硬泡聚氨酯保温板一类,聚异氰脲酸酯硬泡所用的原料与普通聚氨酯硬泡的原料大体相同,但聚异氰脲酸酯硬泡是在合成普通聚氨酯硬泡基础上,将聚异氰酸酯指数提高到3以上,并在三聚催化剂作用下生产聚异氰脲酸酯硬泡,其成型工艺也分为预聚体法和一步法。

聚异氰脲酸酯硬泡预聚体法就是将聚异氰酸酯与聚醚(或聚酯)多元醇先反应,生成主链末端为异氰酸酯的预聚体,然后再与三聚催化剂、发泡剂等助剂发泡,三聚硬化成型。

步法成型工艺是将聚醚(或聚酯)多元醇、聚异氰酸酯和发泡剂等助剂与催化剂等一次混合发泡硬化成型。

在聚异氰脲酸酯硬泡成型中,加入大量的异氰酸酯(使用的异氰酸酯基仅有10%~30%转变为聚氨酯链),在三聚催化剂作用下,使催化剂诱导大部分异氰酸酯发生三聚反应,异氰酸根(一NCO)发生环化反应生成异氰脲酸酯类环状化合物,在生成分子中含异氰豚酸酯类环的泡沫,聚异氰酸酯改性聚氨酯硬泡生成聚异氰脲酸酯硬泡的简要化学与普通型聚氨酯硬泡相比,聚异氰脲酸酯硬泡由于在聚合主链上存在杂环结构的异氰脲酸酯环,所以在不需要添加任何阻燃剂的情况下,聚异氰脲酸酯硬泡就具有耐温性好、耐火焰贯穿性好和燃烧时发烟量低、燃烧时产生的有毒气体少、浓烟低等优点,同时提高硬泡强等性能,又克服了未改性的聚异氰脲酸酯泡沫脆性大、加工性能差的缺点。

(四)单组分聚氨酯硬泡化学反应。

单组分罐装聚氨酯硬泡物料中主要以异氰酸根为末端基的预聚体,再混有表面活性剂催化剂和发泡剂。

单组分罐装聚氨酯硬泡物料出料后,自身吸收潮湿,自身化学反应发泡、固化(最好喷涂在湿的固体表面)。其泡沫固化历程是预聚体末端异氰酸根与空气中湿气反应或与湿的固体表面反应,生成取代脲和CO2,后者使聚氨酯硬泡发泡,最终泡沫体积取决于预聚体配方(特别是催化剂的含量)。单组分聚氨酯硬泡化学固化反应简单化学反应式:2R·NCO+H2O→R· NHCONHR