反应型火焰复合剂对聚醚型聚氨酯软质泡沫塑料火焰复合性能的影响

李东强，李 岩，张瑞欣，王建荣＊

（1．北京万博汇佳科贸有限公司柏诺化工实验室，北京100022；2．北京星月泡沫塑料有限责任公司，北京101113）

0 前言

火焰复合［1－3］工艺是把一定厚度的软质泡沫塑料用火焰将其表面熔融，并用一定压力将软质泡沫塑料与织物贴合在一起，待其表面的熔融物固化后，就使泡沫塑料和织物黏结在一起。火焰复合工艺中，泡沫层和织物之间只是点状的接触，所以相对于传统的胶黏工艺而言，用火焰复合工艺生产的复合材料具有优良的手感。此外，胶黏工艺生产的复合材料在固化过程有挥发性有机物（VOC）产生，而火焰复合材料则不会产生这种现象。所以火焰复合工艺有逐步取代胶黏工艺的趋势。软质泡沫塑料与织物经火焰复合后形成的材料具有质轻、弹性好、手感丰满、透气等特点。产品用途广泛，可制作汽车、飞机、轮船的座垫套以及鞋、帽、手套、服装等装饰用品。

聚氨酯软质泡沫塑料有聚酯型和聚醚型两大类，聚酯型泡沫塑料的分子极性大，受热降解时易于与织物复合产生强的黏合牢度，并且具有较小的复合厚度差。但由于聚酯型泡沫塑料价格较高，在国内尚未大量投入生产。目前，各生产厂家主要采用在聚醚型泡沫塑料中使用各种助剂的办法来提高泡沫塑料和织物的火焰复合强度。

本文在聚醚型软质泡沫塑料的生产配方中分别添加了火焰复合剂、阻燃剂以及聚酯多元醇［4－7］，通过对复合材料剥离强度的测试，研究了各种添加剂对聚醚型泡沫塑料火焰复合性能的影响，并通过不同织物、不同复合火焰强度以及不同TDI指数（异氰酸酯对聚醚的反应基团NCO／OH的摩尔比）下剥离强度的测试，对火焰复合机理进行了讨论。

1 实验部分

1．1 主要原料

聚醚多元醇，TMN3050，羟值为56mg KOH／g，酸值为0．05mg KOH／g，含水量为0．05%，天津石化三厂；

火焰复合剂，BNE621Li，黏度为135mPa·s，羟值为（335±10）mg KOH／g，北京万博汇佳科贸有限公司；

火焰复合剂A，成分为三（一缩二丙二醇）亚磷酸酯，P 含量7．2%，黏度为42．2mPa·s，羟值为395mg KOH／g，北京万博汇佳科贸有限公司；

火焰复合剂B，黏度为361mPa·s，羟值为480mg KOH／g，采用三（一缩二丙二醇）亚磷酸酯复配，北京万博汇佳科贸有限公司；

芳香族聚酯多元醇，PS－3152，黏度为1300mPa·s，羟值为315mg KOH／g，Stepan公司；

阻燃剂，BNE635，羟值为48mg KOH／g，Cl含量29．5%，Br含量9．9%，P含量8．4%，北京万博汇佳科贸有限公司；

催化剂，A1、A33、T9，迈图高新材料有限公司；

匀泡剂，SZ－580，迈图高新材料有限公司公司；

异氰酸酯（TDI），工业品，80／20，陶氏化学有限公司。

1．2 主要设备及仪器

火焰复合机，YZ－200A，盐城远中机械有限公司；

拉力试验机，UTM2000，深圳三思纵横科技股份有限公司；

软质泡沫立切机，HD－036，香河海达泡沫机械制造厂；

高速搅拌机，MOD6613，最高转速2600r／min，美国保力得工具有限公司。

1．3 样品制备

按照表1所示的基本配方把聚醚、水、匀泡剂、胺（A1和A33）催化剂、阻燃剂／火焰复合剂／聚酯多元醇加入到烧杯中，充分搅拌混合均匀，加入计量的TDI，搅拌7～10s，迅速把混合好的物料倾入木箱模具中，6h后脱模，24h后用立切机切成10mm厚的样块进行火焰复合以及性能的测定。

表1 实验配方表Tab．1 Experimental formula

1．4 性能测试与结构表征

将上述制备的软泡片材和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）纤维织物在火焰复合机上进行火焰复合，熟化24h后按照GB 8808—1988进行剥离强度测试，试样宽度为50mm，长为150mm，实验速度为200mm／min。

2 结果与讨论

2．1 各种添加剂对材料剥离强度的影响

由表2可知，TDI指数为1．05，火焰强度为大火时，添加3份反应型火焰复合剂BNE621Li的复合材料的剥离强度明显高于添加3～10份其他添加剂的复合材料，这说明添加火焰复合剂能使泡沫塑料具有较好的熔融再固化性能。随着阻燃剂用量的增加，剥离强度先增大后减小，说明在复合时适度的阻燃对火焰复合有改善作用。候赤龙［3］认为，阻燃聚氨酯泡沫塑料受热熔融且适度分解，具备再固化的性能，这部分熔融态的聚氨酯起到黏合剂的作用。但是随着阻燃剂用量的增加，泡沫塑料经过火焰灼烧后会形成熔融的聚氨酯泡沫塑料“油珠”，没有适度分解，且不易再固化，使黏结牢度大大降低。随着聚酯多元醇含量的增加，剥离强度也呈现增大的趋势，但是整体的剥离强度不及添加火焰复合剂的样品。这可能是因为聚酯多元醇受热降解时，酯键极性较大，易与织物形成氢键，这种氢键所形成的力称为次价力，一般较小，其能量只有21～42kJ／mol，而C—N键为414kJ／mol，C—C键为347kJ／mol。但聚合物相对分子质量较大，若键上每个结构单元产生的次价力等于一个单体分子的次价力。那么上百个结构单元构成的大分子的全部次价力就接近于化学反应所形成的主价力了。所以聚酯多元醇的添加使泡沫体火焰复合后也具有较大的剥离强度［1］。

表2 各种添加剂对材料剥离强度的影响Tab．2 Effect of different additives on peeling strength of the materials

2．2 不同火焰强度下材料的剥离强度

由表3可知，在软泡密度为26kg／m3的情况下，随着复合时火焰强度的增大，软质泡沫与织物之间的剥离强度增大。这可能是因为火焰强度增大，软质泡沫受热产生的熔融态的物质越多，与织物之间形成更强的黏合牢度，所以剥离强度增大。

2．3 不同织物对材料剥离强度的影响

由表4可知，复合后PET纤维织物的剥离强度要比棉布的大，这是因为织物和海绵复合为点状接触［1］，PET纤维织物是疏水性合成纤维经纺丝和后处理制成的纤维，分子内部排列紧密，纤维间的空隙较小，热解后的黏稠体不渗透进入织物和纱线纤维间的空隙。这样泡沫层和织物之间只是点的接触，虽然接触面积很小，但化学键却赋予产品以高黏合牢度。在复合的时候，软质泡沫塑料的熔融态与PET纤维织物复合时表面接触的面积更大一些，所以复合后的剥离强度相比棉布略大。随着熟化时间的延长，剥离强度增加，因为聚氨酯分解产生的物质和织物之间形成的化学键逐渐由紊乱、不定向向规则、定向过渡，嵌插部分经碾压后的黏合力也随着熟化而增强。

表3 不同火焰强度下材料的剥离强度Tab．3 Peeling strength of the materials at different flame intensity

2．4 TDI指数对材料剥离强度的影响

由表5可知，随着TDI指数的增大，材料的剥离强度呈逐渐增大趋势。这可能是因为，随着TDI指数的增大，复合过程中熔融态中产生更多的NCO基团［1］，在软质泡沫塑料和织物之间形成更多的化学键，使得剥离强度增大。

表4 不同织物对材料纬向剥离强度的影响Tab．4 Effect of different fabrics on zonal peeling strength of the materials

表5 TDI指数对材料剥离强度的影响Tab．5 Effect of TDI index on peeling strength of the materials

2．5 火焰复合剂对泡沫塑料物理性能的影响

由表6可知，在24℃、湿度50%、同样密度条件下，在配方中添加3份火焰复合剂BNE621Li不但不会对软质泡沫塑料原有性能产生影响，而且在提高黏合力的同时能提高其拉伸强度、延伸率、撕裂强度和压陷系数等性能，使软质泡沫塑料在使用过程中的老化程度减弱、力学性能提高、抗外界破坏能力增强，制品的使用寿命延长，使用价值更高。

表6 火焰复合剂对泡沫塑料物理力学性能的影响Tab．6 Effect of flame laminable additive on physical and mechanical properties of the foams

3 结论

（1）在聚醚型软质聚氨酯泡沫塑料中添加3份火焰复合剂BNE621Li，其与织物的剥离强度即能达到较好的效果，优于添加阻燃剂、聚酯多元醇的配方体系；

（2）复合工艺中采用的火焰强度、织物种类和TDI指数都对材料的剥离强度有影响，增大火焰强度和TDI指数有利于改善剥离强度；

（3）在聚醚型软质聚氨酯泡沫塑料中使用火焰复合剂不仅可以增加泡沫塑料与织物的剥离强度，对泡沫塑料的物理力学性能没有负面影响，且有一定的阻燃功能。

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