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        高性能汽車扶手用聚氨酯半硬質泡沫的制備及性能

        2020-07-15 430

        進入21世紀以來,國民經濟快速發展帶動中國汽車行業的發展步入快車道:生產規模逐步擴大,集中度不斷提高,汽車總量發展迅速。一輛汽車由1萬多個零件構成,涉及十幾大類、4200多種材料,其中塑料件約占整車總質量的10%~15%。且隨著人們對汽車輕量化、安全性和低油耗的不斷追求,低密度、加工成型方便的塑料材料越來越多地應用在汽車上,尤其是內飾件。汽車內飾中的扶手作為駕駛室中的重要組成部分,起到推拉車門及車內人員擱放手臂的作用。當發生緊急情況,車內人員與扶手發生碰撞時,聚氨酯軟質扶手與改性 PP(聚丙烯)、ABS(聚丙烯腈 —丁二烯—苯乙烯)等硬質塑料扶手相比,能提供良好的彈性及緩沖,從而降低傷害。聚氨酯軟質泡沫扶手能提供良好的手感及表面優美的紋理,從而提高駕駛艙的舒適性及美觀性。因此,隨汽車工業的發展及人們對內飾材料要求的提高,聚氨酯軟質泡沫在汽車扶手方面的優勢越來越明顯。聚氨酯軟質扶手有高回彈泡沫、自結皮泡沫和半硬質泡沫 3 種:其中高回彈扶手外表面包覆 PVC(聚氯乙烯)表皮,內部為聚氨酯高回彈泡沫,泡沫的支撐性相對較弱,強度相對較低,同時泡沫與表皮的黏結性能相對不足;自結皮扶手具有結皮層泡沫芯層,成本低,一體化程度高,在商用車方面應用較多,但產品難以兼顧表層的強度與整體的舒適性;半硬質扶手外包覆 PVC 表皮,表皮提供良好的觸感及外觀,而內部的半硬質泡沫具有優異的手感、抗沖擊、能量吸收及耐老化性能[4 — 5],因此在乘用車內飾的使用方面應用越來越廣泛。本文設計了汽車扶手用聚氨酯半硬質泡沫的基礎配方,并在此基礎上進行了改進研究。1 實驗部分1.1 主要原料聚醚多元醇 A(羥值 30 ~ 40 mg/g)、聚合物多元醇 B(羥值 25 ~ 30 mg/g):萬華化學集團股份有限公司;改性 MDI [二苯基甲烷二異氰酸酯,w(NCO)為 25%~30%]、復合催化劑、潤濕分散劑(助劑 3)、抗氧劑 A:萬華化學(北京)有限公司、邁圖等;潤濕分散劑(助劑 1)、潤濕分散劑(助劑2):畢克化學。以上原料均為工業級。搪塑 PVC表皮:常熟瑞華。1.2 主要設備及儀器SDF— 400 型高速攪拌 機、AR3202CN 型電子天平、鋁制模具(10cm×10cm×1cm,10cm×10cm×5cm)、101-4AB型電熱鼓風烘箱、KJ—1065 型電子萬能拉力機、501A 型超級恒溫器。1.3 基礎配方及樣品的制備半硬質聚氨酯泡沫的基礎配方見表1。力學性能測試樣品的制備:按設計配方配制組合聚醚(A料)后和改性MDI按一定比例混合,用高速攪拌(3000r/min)裝置攪拌3~5s后倒入相應的模具內發泡,一定時間內開模得到半硬質聚氨酯泡沫模塑樣品。黏結性能測試樣品的制備:在模具下模放置一層 PVC 表皮,將組合聚醚和改性 MDI 按比例混合后使用高速攪拌(3 000 r/min)裝置攪拌 3~5 s 后倒入表皮表面,合模,一定時間內開模得到帶有表皮的聚氨酯泡沫模塑樣品。
        1.4 性能測試力學性能:40%CLD(壓縮硬度)按ISO—3386標準測試;拉伸強度和斷裂伸長率按ISO—1798標準測試;撕裂強度按ISO—8067標準測試。黏結性能:使用電子萬能拉力機按某主機廠標準對表皮與泡沫進行180°剝離。老化性能:按某主機廠標準高溫120℃老化24h后測試力學性能和黏結性能的損失。2 結果與討論2.1 力學性能通過改變基礎配方中聚醚多元醇A和聚合物多元醇B的比例,探索了不同聚醚用量對半硬質聚氨酯泡沫力學性能的影響,結果如表2所示。由表2結果可看出, 聚醚多元醇A和聚合物多元醇B的比例變化對聚氨酯泡沫的力學性能有明顯的影響。當聚醚多元醇A/聚合物多元醇B的比例越大時,泡沫的斷裂伸長率有一定的提高, 而壓縮硬度有一定的減小,拉伸強度和撕裂強度變化不大。聚氨酯分子鏈主要有軟段和硬段,軟段來自多元醇,硬段來自氨基甲酸酯鍵。上述力學性能的變化,一方面是兩種多元醇相對分子質量和羥值不同,另一方面聚合物多元醇B是由丙烯腈和苯乙烯改性得到的聚醚多元醇,由于苯環的存在提高了鏈段的剛性,同時聚合物多元醇B中含有小分子物質,增加了泡沫的脆性。綜合考慮,聚醚多元醇A為80份,聚合物多元醇B為10份時,泡沫的綜合力學性能較好。2.1 黏結性能扶手作為按壓頻率較高的產品,如出現泡沫與表皮剝離的情況,將明顯降低部件使用的舒適性,因此聚氨酯泡沫與表皮的黏結性能要求較高。在上述研究的基礎上通過添加不同的潤濕分散劑測試泡沫與表皮的黏結性能,結果見表3。由表3可發現,不同的潤濕分散劑對泡沫與表皮的剝離力有明顯的影響:使用助劑2后出現泡沫塌泡, 這可能是加入助劑2后使泡沫過于開孔所導致;而使用助劑1和助劑3后較空白樣剝離力有一定的提升, 助劑1較空白樣的剝離力提升17%左右,助劑3較空白樣的剝離力提升25%左右。助劑1和助劑3兩種潤濕分散劑對剝離力的提升程度不同,最主要是對組合料在表皮上的潤濕性改善程度的差別造成的。一般來說,評價液體在固體上的潤濕性,接觸角是衡量表面潤濕性能的重要參數。所以測試了加入上述2款潤濕分散劑后組合料和表皮的接觸角,結果如圖1所示。由圖1可看到空白樣的接觸角最大,為27°,接觸角最小的是助劑3,只有12°。由此說明使用助劑3更大程度提升了組合料與表皮的浸潤性,其在表皮表面更容易鋪展,所以使用助劑3剝離力最大。2.1 老化性能扶手制品在車內受按壓、陽光照射的頻次高,老化性能是聚氨酯半硬質扶手泡沫不得不考慮的另一項重要性能。所以針對基礎配方進行了老化性能測試并進行改進研究,結果如表4所示。由表4數據對比可發現,基礎配方在120℃高溫下熱老化,力學性能和黏結性能均有明顯的下降:老化12h后, 除密度外(下 同)各項性能損失為13%~16%;老化24h各項性能損失為23%~26%。說明基礎配方耐熱老化性能不佳,基于此在配方中添加一類抗氧劑A可明顯提高原配方的耐熱老化性能。在添加抗氧劑A后相同的實驗條件下, 老化12h后各項性能損失在 7%~8%,老化24h各項性能損失在13%~16%。力學性能的下降主要是由于熱老化過程中,化學鍵斷裂生成活潑的自由基引發一系列的鏈式反應,導致原物質的結構或性能發生根本變化。而黏結性能的下降一方面是由于泡沫自身的力學性能下降造成, 另一方面是由于搪塑PVC表皮中含有大量的增塑劑,在熱氧老化的過程中,增塑劑向表面遷移導致。加入抗氧劑后能提高其熱老化性能,主要是抗氧劑能夠消除剛生成的自由基,延緩或抑制聚合物氧化過程進行,從而保持聚合物原有性能。2.1 綜合性能綜合上述結果,設計了最優配方并對其各項性能進行了評價,與通用型聚氨酯高回彈扶手泡沫進行了性能對比,結果如表5所示。由表5可看出,最優半硬質聚氨酯泡沫配方的性能較基礎及通用配方均具有一定的優勢,實用性更強,更適用于在高性能扶手方面的應用。3、結論調整聚醚的用量、選擇合格的潤濕分散劑和抗氧劑能賦予半硬質聚氨酯泡沫良好的力學性能、優異的耐熱老化性能等?;谂菽瓋灝惖男阅?,此款高性能聚氨酯半硬質泡沫產品能適用于汽車扶手、儀表臺等汽車緩沖材料。

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