环保型包装用聚氨酯泡沫
工艺/案例

摘 要:采用普通聚醚多元醇等原料,研制了全水发泡超低密度聚氨酯泡沫塑料体系,对制备过程的有关因素进行了讨论。它具有低成本,主要用于包装。聚氨酯泡沫作为一种新型的包装材料,已广泛应用于有关领域。

关键词:全水发泡;包装材料;聚氨酯泡沫塑料;低密度

包装用聚氨酯泡沫,也称超低密度聚氨酯泡沫。作为一种新型的包装材料,它取代了原有的碎纸、棉絮等包装材料。目前它已广泛应用于电子电脑元件、光学仪器、古董、精密仪表等易碎易损品的包装。对这种包装材料的研究早在1970年代的美国国际包装协会(International Package System)就开始研制并获成功。然而在当时研制成功的这种泡沫包装材料所用的发泡剂是CFC-11。后来也曾经用二氯甲烷作发泡剂。然而这些发泡剂不是对大气层中的臭氧层有严重的破坏作用,就是在发泡过程中产生有害于身体健康的气体。自蒙特利尔协议生效后人们便开始了对原有发泡剂的替代工作。于是有了HCFC-141b、戊烷、CO2(全水发泡)等CFC-11的代用品。然而只有全水发泡才具有真正意义上的环保性能。本文主要介绍了低成本的全水发泡包装泡沫的研制。

1、实验部分

1.1 原材料及设备仪器

多次甲基多苯基多异氰酸酯PAPI(工业级,进口或国产均可);高活性聚醚三元醇(羟值56mgKOH/g,国内各大聚醚厂均能采购到);4110(羟值410~430mgKOH/g,国内各大聚醚厂均能采购到);泡沫稳定剂(进口);催化剂1(国产);催化剂2(国产);扩链剂(二甘醇、乙二醇等);乳化剂(北京某化工厂)。 电动搅拌器、秒表、烧杯、发泡箱、电子天平、粘度计、离心机、万能实验机。

1.2 组合聚醚及泡沫的制备

在烧杯中依次称量聚醚、泡沫稳定剂、扩链剂、催化剂、水,混合搅拌,静置片刻。 取一试管组合原液放入离心机中高速(5000 r/min)旋转数分钟后,取出观察,无明显分层现象。 根据组合聚醚配方和用量,称取一定量的PAPI,将组合聚醚和PAPI混合搅拌4~6 s,倒入简易发泡模具中发泡,记录其乳白时间、拉丝时间、上升时间、不粘时间等数据。泡沫熟化24 ph以后,测定其物理性能。

1.3 典型的配方

低成本环保型聚氨酯包装泡沫的典型配方及性能如下:
组合聚醚配方(质量份):
聚醚三元醇 60~70份
普通4110聚醚 40~30份
泡沫稳定剂 2~3份
水 25~30份
催化剂1 0.2~0.3份
催化剂2 0.3~0.5份
乳化剂 2~3份
扩链剂 5~6份
PAPI指数 0.75~0.9

2、结果与讨论

2.1 原料体系的选用

2.1.1 聚醚的选用
本工作所选用的聚醚多元醇均为低价格、易采购的聚醚多元醇,不需另外加工合成专用聚醚,它们与水都有较好的相溶性。组合后,粘度较低,易于现场施工。同时,我们经过反复试验,成功选用了北京某化工厂的乳化剂。加入该乳化剂2~3份后,使得组合聚醚混合均匀,长时间存放无分层现象。普通硬泡体系所用的4110聚醚能使泡沫的强度增大,回弹值提高,泡沫壁的承载力增强,而使泡沫不易收缩。另外大家都知道,在全水发泡体系中,较多的水与异氰酸酯的NCO反应,生成聚脲,而这种脲的大量聚集就会导致泡沫的脆性增大。而采用高活性聚醚,在反应中会快速与NCO反应干扰脲的生成与聚集,从而使泡沫的脆性大大降低。

2.1.2 催化剂的选择

催化剂的选择在本配方中非常重要。在选择过程中应该注意几个问题。一是在全水发泡体系中,由于大量水的存在,所以贮存稳定性较差的锡类、胺类催化剂不能使用。二是要考虑发泡反应与凝胶反应的平衡问题。三是全水发泡体系发泡时会放出大量的热量,必须及时移走。选择催化剂时应充分考虑以上问题。否则就会对泡沫性能和组合原液的稳定性造成很大的影响。此外在催化剂的选择上还应考虑其经济性。

2.1.3 泡沫稳定剂的选用

在对泡沫稳定剂的选用过程中,我们曾遇到较大的困难,在如此高水量的体系中,普通的非水解型(Si—C)稳定剂会很快失去效用。通过我们大量实验,并且与国内外泡沫稳定剂生产厂家的沟通与协作。最终选用了同外某公司的泡沫稳定剂。但其用量也较大,一般为聚醚总量的2%~3%,只有在这个范围内才能保证泡沫的尺寸性能,又能使组合聚醚稳定存放较长时间。

2.2 发泡参数及泡沫性能

经过多次试验,在上述基础配方范围,得到了合适的发泡配方。
组合聚醚性能如下:
外观: 透明均一
粘度/mPa·s 350~420
贮存稳定性 无分层现象
将组合聚醚和多异氰酸酯PAPI按比例混合,进行实验室发泡试验,反应参数如下:
乳白时间/s 8~9
上升时间/s 25~30
脱粘时间/s 45~50
得到泡沫塑料物理性能如下:
泡沫芯密度/kg·m-3 8~10
压缩强度/MPa ≥0.7
压缩50%复原率/% ≥93

3 结束语

采用全水发泡体系制成了性能良好的聚氨酯包装泡沫。笔者认为优点有二:一是全水发泡体系的采用,真正起到了环境保护的作用。二是普通聚醚多元醇原料的采用,使其成本大大降低,更有利于环保产品的工业化生产。

相关设备