用於(yu) 低密度聚氨酯硬泡的延遲催化劑性能對比實驗

用於(yu) 低密度聚氨酯硬泡的延遲催化劑性能對比實驗研究 摘要 低密度聚氨酯硬質泡沫(Rigid Polyurethane Foam, RPUF)因其優(you) 異的隔熱性、輕質性和結構強度,廣泛應用於(yu) 建築保溫、冷鏈物流、工業(ye) 設備等領域。在該體(ti) ...

用於低密度聚氨酯硬泡的延遲催化劑性能對比實驗研究

摘要

低密度聚氨酯硬質泡沫(Rigid Polyurethane Foam, RPUF)因其優(you) 異的隔熱性、輕質性和結構強度,廣泛應用於(yu) 建築保溫、冷鏈物流、工業(ye) 設備等領域。在該體(ti) 係中,延遲催化劑作為(wei) 調控發泡與(yu) 凝膠反應進程的重要組分,其性能直接影響到泡沫成型質量、泡孔結構及物理性能。本文通過設計一係列實驗室對比實驗,評估不同種類延遲催化劑在低密度聚氨酯硬泡體(ti) 係中的表現,包括起發時間、凝膠時間、閉孔率、壓縮強度等關(guan) 鍵參數,並結合國內(nei) 外研究成果進行係統分析,為(wei) 實際生產(chan) 提供理論支持和應用建議。


1. 引言

聚氨酯硬泡是異氰酸酯(MDI或PAPI)與(yu) 多元醇在催化劑、發泡劑和表麵活性劑協同作用下形成的多孔材料。在低密度體(ti) 係中,由於(yu) 原料比例較低、反應放熱小、流動性差,對催化劑的調控能力提出了更高要求。延遲催化劑能夠延長初期反應時間,使物料充分流動並填充模具,同時在後期快速促進凝膠與(yu) 固化反應,從(cong) 而實現良好的泡孔結構與(yu) 機械性能。

目前市場上的延遲催化劑主要包括:

  • 叔胺類延遲催化劑:如Dabco TMR係列、Polycat 46等;
  • 封閉型有機錫催化劑:如T-134、T-95等;
  • 金屬複合延遲催化劑:如鋯基、鉍基催化劑等。

本研究選取多種代表性延遲催化劑,在相同配方體(ti) 係下進行對比測試,評估其在低密度聚氨酯硬泡中的綜合性能。


2. 延遲催化劑的作用機理

延遲催化劑通過調節羥基(–OH)與(yu) 異氰酸酯基團(–NCO)之間的反應速率,延緩初期反應的發生,使得物料在未完全固化前具備足夠流動性以填充複雜模腔或大麵積施工區域。

2.1 主要反應路徑

  1. 發泡反應:水與–NCO反應生成CO₂氣體,推動泡孔形成。
  2. 凝膠反應:–OH與–NCO反應生成氨基甲酸酯鍵,決定泡沫結構穩定性。
  3. 交聯反應:高官能度多元醇與多異氰酸酯形成三維網絡結構,提升機械性能。

延遲催化劑主要作用於(yu) 上述第2步,通過降低活化能或改變過渡態構型來控製反應動力學行為(wei) 。


3. 實驗材料與方法

3.1 實驗材料

材料 型號/來源
多元醇組合料 聚醚多元醇(OH值:450 mgKOH/g),自製
異氰酸酯 PM-200(萬華化學)
表麵活性劑 B8462(贏創)
發泡劑 環戊烷 + HFC-245fa
催化劑A Dabco TMR-2(胺類延遲催化劑)
催化劑B Polycat 46(雙官能胺類)
催化劑C T-134(封閉型有機錫)
催化劑D K-Kat XC-32(鋯基複合催化劑)

3.2 測試方法

性能指標 測定標準
起發時間 ASTM D2196
凝膠時間 ASTM D2196
閉孔率 GB/T 10799
壓縮強度 GB/T 8813
泡孔結構 SEM觀察
密度 GB/T 6343

4. 實驗結果與分析

4.1 不同催化劑對反應時間的影響

催化劑類型 起發時間(秒) 凝膠時間(秒) 反應窗口期(秒)
A(Dabco TMR-2) 110 210 100
B(Polycat 46) 90 180 90
C(T-134) 120 240 120
D(K-Kat XC-32) 100 200 100

從(cong) 數據可見,T-134具有很長的反應窗口期,適合用於(yu) 大型構件或複雜形狀的澆注工藝;而Polycat 46反應速度較快,適用於(yu) 快速脫模的連續生產(chan) 線。

4.2 泡沫物理性能對比

催化劑類型 密度(kg/m³) 閉孔率(%) 壓縮強度(kPa) 尺寸穩定性(±%)
A 33 91 180 ±1.2
B 32 90 170 ±1.5
C 34 92 190 ±1.0
D 33 91 185 ±1.1

結果顯示,使用T-134製備的泡沫閉孔率很高,壓縮強度也相對較高,說明其在維持結構完整性方麵具有一定優(you) 勢。

4.3 泡孔結構SEM圖像分析

通過對泡孔微觀結構的觀察發現:

  • 使用Dabco TMR-2T-134的樣品泡孔更均勻,分布更致密;
  • 使用Polycat 46的泡孔存在部分不規則現象,可能與其催化選擇性有關;
  • K-Kat XC-32表現出良好的泡孔一致性,且壁厚適中,有利於提高機械性能。

5. 國內外研究現狀綜述

5.1 國際研究進展

美國陶氏化學公司(Dow Chemical)在其技術白皮書(shu) 中指出,采用延遲型胺類催化劑可以有效改善低密度聚氨酯硬泡的泡孔結構,尤其在低溫環境下仍能保持良好流動性(Dow Technical Bulletin, 2021)。

德國巴斯夫(BASF)研究人員通過模擬計算發現,延遲催化劑可通過調節氫鍵作用影響聚合物鏈段的取向,從(cong) 而優(you) 化泡孔形態(Wang et al., 2022)。

5.2 國內研究進展

華東(dong) 理工大學高分子材料研究所對國內(nei) 多個(ge) 冷庫保溫工程中使用的低密度聚氨酯體(ti) 係進行了長期跟蹤測試,發現使用封閉型有機錫催化劑的泡沫在潮濕環境中表現出更高的尺寸穩定性(張等人,2020)。

中國建築材料科學研究總院提出,針對我國南方地區高溫高濕氣候特點,建議優(you) 先選用具有緩釋功能的延遲催化劑,以避免早期發泡失控(《聚氨酯保溫材料技術導則》,2022)。


6. 工程應用案例分析

6.1 案例一:東北地區冷庫保溫板生產項目

  • 環境條件:冬季平均溫度-15°C,濕度較低。
  • 催化劑選擇:采用Dabco TMR-2作為主延遲催化劑。
  • 效果評估:泡沫流動性良好,泡孔均勻,壓縮強度達190 kPa,滿足GB/T 21558標準要求。

來源:《東(dong) 北冷庫建設用聚氨酯材料性能報告》(黑龍江省建科院,2023年)

6.2 案例二:華南沿海冷鏈運輸箱體噴塗工程

  • 環境條件:夏季高溫高濕,日均氣溫35°C以上。
  • 催化劑選擇:采用T-134+少量Polycat 46複配體係。
  • 效果評估:泡沫密度穩定在32–34 kg/m³之間,閉孔率達92%,尺寸穩定性良好。

來源:《華南冷鏈設施聚氨酯噴塗技術指南》(廣東(dong) 省交通廳,2022年)


7. 結論與展望

通過對不同類型延遲催化劑在低密度聚氨酯硬泡體(ti) 係中的性能對比實驗,得出以下結論:

  • T-134在延遲性、泡孔結構和壓縮強度方麵表現較為均衡,適合於大多數戶外與低溫應用場景;
  • Dabco TMR-2具有良好的延遲效果,但需注意其在高溫下的釋放速率;
  • Polycat 46適用於對反應時間控製較嚴的連續生產線;
  • K-Kat XC-32展現出良好的綜合性能,尤其是在環保和穩定性方麵具有潛在優勢。

未來發展方向建議如下:

  • 開發具有溫度響應性的智能延遲催化劑;
  • 探索納米封裝技術以提高催化劑分散性與控釋能力;
  • 建立基於大數據分析的催化劑性能預測模型;
  • 加強非錫類環保催化劑的研發與標準化工作。

參考文獻

  1. Dow Chemical. (2021). Technical Bulletin on Delayed Catalysts for Low-Density Rigid Foams.
  2. Wang, J., Zhang, L., & Liu, H. (2022). Effect of Catalyst Structure on Cell Morphology in Rigid Polyurethane Foams. Polymer Engineering & Science, 62(4), 1120–1128.
  3. 張偉, 李明遠, 王靜. (2020). 低密度聚氨酯硬泡在冷庫工程中的應用研究. 高分子材料科學與工程, 36(5), 89–95.
  4. 中國建築材料科學研究總院. (2022). 《聚氨酯保溫材料技術導則》.
  5. 黑龍江省建築科學研究院. (2023). 《東北冷庫建設用聚氨酯材料性能報告》.
  6. 廣東省交通運輸廳. (2022). 《華南冷鏈設施聚氨酯噴塗技術指南》.
  7. ASTM D2196 – Standard Test Methods for Rheological Properties of Non-Newtonian Materials.
  8. GB/T 10799 – Determination of Closed-Cell Content of Rigid Cellular Plastics.
  9. GB/T 8813 – Compression Testing of Rigid Cellular Plastics.
  10. GB/T 6343 – Apparent Density of Flexible and Rigid Cellular Plastics.
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