Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ ЖЕСТКОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕРЬЕРА АВТОМОБИЛЯ

Васляев А.А. 1
1 Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых
В настоящее время в автомобилестроении большое распространение получили жесткие пенополиуретаны на основе смеси простых полиолов с метилендифенилдиизоцианат. Эта композиция предназначена для изготавливления формованных деталей внутреннего интерьера в автомобилестроении, например, в качестве подложки дверной или приборной панели. Это связано с тем, что полиуретановые материалы обладают большой универсальностью, они могут изготавливаться в широком диапазоне сортов, плотностей и коэффициентов полимерной жесткости. Данная технология формования деталей из жесткого пенополиуретана позволяет получать изделия практически любой формы и размеров, недоступных для формирования аналогичных изделий из других материалов. Как показала практика, композиция имеет ряд преимуществ, это в частности повышенные износостойкость и абразивная стойкость, (пенополиуретаны превосходят резины, пластики и металлы по своей абразивной стойкости в несколько раз), облегченный вес (пенополиуретан, достаточно прочный, выдерживет значительные нагрузки, но не хрупкий), минимальное паро- и влагопоглощение (изделия, состоят из миллионов закрытых, изолированных друг от друга ячеек-пузырьков, наполненных газом, образовавшимся в результате взаимодействия компонентов) и экологическая чистота (материал не выделяет никаких токсичных веществ).
жесткий пенополиуретан
лапрол 564
лапрол 373
метилендифенилдиизоцианат
полиол-изоцианат.
1. Бегишев В. П., Иванов С. В., Романова В. А., Карманов В. И. Высокомолекулярные соединения, Серия Б, 2010, том 39, № 6, с. 1075-1077.
2. Булатов Г.А. Пенополиуретаны. М.: Машиностроение, 2008. - 184 с.
3. Braun T., Navratil J.D., Farag A.B. Polyuretane Foam Sorbent in Separation Science. Boca Raton: CRC Press, 2005. 220 р.
4. Керча Ю. Ю. Физическая химия полиуретанов. Киев, Наукова думка, 2003, 220 с.
5. Липатов Ю.С., Керча Ю.Ю., Сергеева Л.М. Структура и свойства полиуретанов. Киев: Наук. думка, 1970. 277 с.
6. Саундерс Дж. Х., Фриш К. К. Химия полиуретанов. – М.: Химия, 2010. – 470 с.
7. Sallberg S.-E., Nilsson S., Bergstrom G. Leakage ways for ground-water in PUR-foam.10th Intern.Simposium on District Heating and Cooling 3-5 Sept. 2012, Hannover, Germany, p 8.материалов. Волгоград, 2008. – с. 5.
8. Умеркин Г.Х. Структура пенополиуретановый материалов. 2001 г., с.18-19
9. Ушков В. А., Калинин В. И., Асеева Р. М., Андрианов Р. А., Воробьев В. Н., Тарасов В. А. Пожароопасные свойства пенополиуретанов. Межвуз. Сб. науч. Тр. Горючесть полимерных

Введение

Полиуретановые материалы обладают большой универсальностью, они могут изготавливаться в широком диапазоне сортов, плотностей и коэффициентов полимерной жесткости. Их варианты прикладного применения варьируются от эластичных пен, применяемых в сиденьях, до жестких материалов, используемых в конструкциях корпуса, например, в качестве подложки дверной панели.

Эксплуатационные свойства и технологические характеристики пенополиуретановых (ППУ) материалов для конкретных случаев применения могут задаваться путем использования соответствующего изоцианата и соответствующего полиола. В результате создается полимер со свойствами, отвечающими требованиям любого конечного назначения.

Современные тенденции рынка автомобилестроения предполагают более широкое использование модульных систем, повышение сенсорного комфорта, увеличение долговечности материалов, улучшение качества воздуха в салоне автомобиля. Эти факты оказали большое влияние на конструкцию рулевого колеса, которое теперь вмещает такие устройства, как подушка безопасности и системы управления радиомузыкальным центром. В результате эти детали стали более сложными по своим свойствам, что обуславливает исключительную важность характеристик текучести и стабильности геометрических размеров пенополиуретановых (ППУ) материалов [1]. Эти материалы уникальны и находятся в не конкуренции среди натуральных и синтетических материалов.

Целью данной работы являлось разработка рецептуры жесткого пенополиуретана, для изделий интерьера автомобиля, со следующими требованиями: время старта = 25-30 секунд, время гелеобразования = 120-140 секунд, кажущаяся плотность при свободном вспенивании = 35-40кг/м3, предел прочности на сжатие = 400-450 кПа, предел прочности на растяжение = 580-630 кПа.

Объекты и методы исследования

Учитывая вышеизложенное, в качестве исходных компонентов для получения жесткого пенополиуретана в настоящем исследовании были выбраны компонент А-370 и компонент Б (МДИ). В состав компонента А-370 входят следующие компоненты: Лапрол 564 и Лапрол 373, Трихлорпропилфосфат TCPP [2], Dabco DC5604 / Dabco LK-221E, вода, Метиленхлорид, POLYCAT® 8 Catalyst / POLYCAT® 5 Catalyst. В качестве оптимального и наиболее часто используемого изоцианата был выбран метилендифенилдиизоцианат (МДИ).

В качестве антипирена был выбран трихлорпропилфосфат. Данный продукт относится к традиционным антипиренам для повышения огнезащитных свойств полиуретановых и других полимерных материалов. Среди основных достоинств данного вещества можно выделить следующие: низкая вязкость, хорошая термостойкость, устойчивость к гидролизу.

Поверхностно-активным веществом выбраны Dabco DC5604, представляющий собой силиконовый гликолевый сополимер, который производит тонкие, однородные ячейки в сочетании с превосходной стабильностью размеров пены и свойств потока пены, и Dabco LK-221E является уникальным органическим поверхностно-активное вещество для микроячеистой и жесткой пены составы, которые обеспечивают гладкую поверхность и отличная адгезия [3].

В качестве пенообразователя выступают два агента метиленхлорид и вода. При использовании данных вспенивателей наблюдаются следующие преимущества: испаряющийся газ охлаждает пену и улучшает технологические характеристики переработки и свойства ППУ, замедляет скорость гелеобразования расширяющейся пены, давая более крупные поры и проявляя меньшую тенденцию к скорчингу (подгоранию) и появлению дефектов в структуре пены [4].

Катализатором являются POLYCAT® 8 N, N-диметилциклогексиламин (DMCHA) и Катализатор POLYCAT® 5, N-[2-(диметиламин)этил]-N,N',N'-триметил-1,2-этандиамин представляют собой третичные амины, используемые главным образом для продвижения реакции уретана (полиол-изоцианат) в широком диапазоне применений жестких пенопластов[5]. Специальные свойства: 1) отличные характеристики стабильности, 2) хорошая способность гелеобразования.

Образцы готовили следующим способом: по заданным пропорциям компонентов готовили компонент А-370, затем в него добавляли компонент Б (из расчета 100 мас. ч. компонента А-370 на 120-130 мас. ч. компонента Б), интенсивно перемешивали на лабораторной мешалке в течение 10-15 секунд, полученную композицию заливали в формы и ожидали вызревание пены в течение суток. После этого образец вынимали из формы и обрабатывали до нужных размеров, для дальнейшего исследования необходимый параметров. Для приготовления образцов использовалась рецептура, представленная в таблице 1.

Таблица №1. Рецептура приготовления образцов

№опыта

ПУ А01, масс. ч.

ПУ А03, масс. ч.

ТХПФ, масс. ч.

Ро5, масс. ч.

Ро8, масс. ч.

DC5604, масс. ч.

LK-221E, масс. ч.

Вода, масс. ч.

CH2Cl2, масс. ч.

МДИ, масс. ч.

1

40

40

15

0,5

 

1

 

1,2

5

122

2

40

40

15

0,7

 

1

 

1,2

5

122

3

40

40

15

0,7

 

1

 

1,2

8

125

4

40

40

15

0,7

 

1

 

1,2

10

127

5

40

40

15

0,7

 

1

 

1,2

12

129

6

40

40

15

0,7

 

1

 

1,2

15

132

7

40

40

15

0,7

 

1

 

1,5

5

133

8

40

40

15

0,7

 

1

 

1,9

5

134

9

40

40

15

0,7

 

1

 

2,1

5

134

10

40

40

15

0,7

 

1

 

2,3

5

135

11

40

40

15

0,7

 

1

 

1,5

8

137

12

40

40

15

0,7

 

1

 

2

10

141

13

40

40

15

0,7

 

0

 

2

10

139

14

40

40

15

0,7

 

-

1

2

10

141

15

40

40

15

 

0,7

1

 

2

10

141

16

40

40

15

 

1

1

 

2

10

141

 

Результаты и их обсуждение

В результате проведенных работ приготовлены и исследованы 16 рецептур жесткого пенополиуретанана, основе сложных полиэфиров, а также ароматического диизоцианата, не содержащие легколетучих органических растворителей и свободных изоцианатных групп, что делает их экологически безопасными продуктами. В качестве параметров исследования были взяты такие физические и механические свойства, как кажущаяся плотность, время старта, время гелеобразования, предел прочности на сжатие и предел прочности на растяжение представленные в таблице №2.

Таблица №2. Физико-механические свойства образцов.

№опыта

Кажущаяся плотность, кг/м3

Вр. Старта, с

Вр. Геля, с

Предел прочности на сжатие, кПа

Предел прочности на растяжение, кПа

1

60,4

64

192

-

-

2

60,3

57

178

-

-

3

58,2

52

169

-

-

4

58,3

49

171

-

-

5

58,1

48

167

-

-

6

57,9

47

166

-

-

7

54,2

33

160

-

-

8

47,3

17

128

-

-

9

43,2

16

121

-

-

10

42,4

16

118

-

-

11

47,8

32

116

-

-

12

37

16

171

-

-

13

-

23

104

-

-

14

-

17

112

-

-

15

37,5

39

194

411

576

16

38,1

26

126

427

591

 

С целью изучения возможности оптимизации структуры ячеек были проведены сравнительные испытания дисперсий на основе Dabco DC5604 и Dabco LK-221E. При использовании силиконового гликолевого сополимера Dabco DC5604, в полученные образцы обладали тонкими, однородными ячейками и низкими k-факторами в сочетании с превосходной стабильностью размеров пены, отличными свойствами потока пены и превосходной стабильностью премикса из-за негидролизуемой структуры. В эксперименте силиконовый ПАВ (DC 5604) был заменен на несиликоновый ПАВ (LK-221E), в следствии чего структура образца с несиликоновым ПАВ (LK-221E) получилась рыхлая, неоднородная открыто- и крупнопористая с множеством явных дефектов [6].

Рис. 1. Структура ППУ: а) Dabco DC5604; б) Dabco LK-221E;

Вспенивающий агент - метиленхлорид, используемый в образующей полиуретан композиции, является физическим вспенивающим агентом. Углеводородные вспенивающие агенты являются предпочтительными. Экспериментальные исследования зависимости кажущейся плотности, времени старта и времени гелеобразования от концентрации метиленхлорида показали, что увеличение количества вспенивающего агента приводит к незначительному уменьшению исследуемых параметров. Дальнейшее увеличение количества вспенивающего агента не привело к снижению параметров, в связи с чем наблюдается предел кажущейся плотности, времени старта и времени гелеобразования который можно достичь при увеличении концентрации физического вспенивающего агента [7].

Рис. 2. Зависимость кажущейся плотности от концентрации метиленхлорида.

Рис. 3. Времени старта и времени гелеобразования от концентрации метиленхлорида.

Но предпочтительно дополнительно включать в состав композиции воду, помимо физического вспенивающего агента. Вспенивающим агентом является газообразный диоксид углерода (СО2), образующийся при реакции воды с изоцианатом - химическое вспенивание. Вода и полиол вместе с катализатором реагируют с изоцианатом приблизительно в стехиометрическом соотношении, давая пены с различными плотностями в зависимости от содержания воды [8].

Экспериментальные исследования зависимости кажущейся плотности, времени старта и времени гелеобразования от концентрации воды показали, что изменение концентрации физического вспенивающего агента оказывает значительное влияние на время старта и время гелеобразования. При увеличении количества воды с 1,2г до 2,3г наблюдается снижение времени старта с 57 до 16 секунд и времени гелеобразования с 178 до 118 секунд, (см. рис. 3). Но полученные системы сформованы с большим числом закрытых ячеек, низким водопоглощением, хорошей термостойкостью и эксплуатационностью.

Рис. 4. Зависимость кажущейся плотности от концентрации воды.

Рис. 5. Времени старта и времени гелеобразования от концентрации воды.

Вспенивающие агенты предпочтительно используют в количестве, достаточном для отверждения композиции с образованием пены, имеющей плотность после отверждения от 50 до 70 кг/м3. Для достижения этих значений плотности просто используют углеводородный вспенивающий агент в количестве в интервале от 5 до 15, по массе на 100 частей по массе полиолов и воду подходящим образом используют в количестве в интервале 1-2, по массе на 100 частей по массе полиолов. Преимуществом является образование мочевинных звеньев и увеличение в полимере числа ароматических фрагментов, а также более низкая температура кипения газа внутри ячеек пены [9].

Выводы

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

- увеличение концентрации воды способствует уменьшению плотности, времени старта и времени гелеобразования. Структура изделий получилась однородной и мелкоячеистой с небольшим количеством укрупнённых ячеек. Усадки и деформации образцов не наблюдалось.

- увеличение концентрации метиленхлорида способствует незначительному уменьшению плотности, времени старта и времени гелеобразования. Структура изделий получилась однородной и мелкоячеистой с небольшим количеством укрупнённых ячеек. Усадки и деформации образцов не наблюдалось.

- тип поверхностно активных веществ (ПАВ) оказывает значительное влияние на структуру изделий. Структура образцов с несиликоновым ПАВ (LK-221E) получилась рыхлая, неоднородная открыто- и крупнопористая с множеством явных дефектов. Структура образцов с силиконовым ПАВ (DC 5604) получилась однородной и мелкоячеистой с небольшим количеством укрупнённых ячеек.


Библиографическая ссылка

Васляев А.А. РАЗРАБОТКА РЕЦЕПТУРЫ ЖЕСТКОГО ПЕНОПОЛИУРЕТАНА ДЛЯ ИЗДЕЛИЙ ИНТЕРЬЕРА АВТОМОБИЛЯ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 2. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18141 (дата обращения: 04.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074