白炭黑浆料在客车车身聚氨酯全水喷涂泡沫中的应用

2022-07-02董火成孙嘉鹏赵修文申少伟

聚氨酯工业 2022年3期

李宁董火成孙嘉鹏赵修文申少伟

(黎明化工研究设计院有限责任公司国家反应注射成型工程技术研究中心河南洛阳 471000)

在客车生产中，为达到稳固车身、降低噪音和隔热保温目的，车辆侧板、门板、顶棚内需填充聚氨酯泡沫材料[1]。目前国内在车身使用的泡沫材料工艺主要有传统粘贴泡沫片材(贴“棉”)和全水喷涂两种。全水喷涂泡沫较传统贴“棉”优点突出:(1)采用全水发泡，全球变暖潜能值极低，符合环保要求[2]；(2)泡沫密度小(8～10 kg/m3)，轻质节能；(3)具有较高的开孔率，吸声效果好；(4)生产效率高。基于以上诸多优点，其已成为新一代车身保温、填充的高端材料[3]。

然而，由于全水喷涂泡沫配方中水发泡剂需过量，但水在聚醚多元醇中溶解度较差，导致在应用过程中聚醚组分易分层，在喷涂施工过程中易出现料液流挂现象。聚醚组分因存在水分子的氢键作用，导致水以微滴的形式存在于体系中，无法以分子形式分散到发泡组合物中，发泡过程中易局部过度反应和发泡，造成泡孔的分布和尺寸不均匀[4]，出现内部缺陷。本研究通过添加自制白炭黑浆料，可有效改善以上问题。

1 实验部分

1.1 主要原料和设备

聚合MDI(牌号Suprasec5005)，美国Huntsman公司；聚醚三醇EP-3600(羟值26～30 mgKOH/g)、DV125(羟值440～460 mgKOH/g)，山东蓝星东大化工有限责任公司；聚合物多元醇 CHP-H45(羟值19～23 mgKOH/g)，江苏长华化学科技股份有限公司；阻燃剂TCPP、TCEP，浙江淳安助剂厂；催化剂PT306、PT308、A-1，常州市瑞澳添加剂有限公司；有机硅匀泡剂L6900、L6863，迈图公司；硅烷偶联剂KH-560，道康宁化学有限公司；白炭黑，广州吉必盛科技实业有限公司。以上均为工业级。去离子水，自制。

SF型智能分散砂磨机，深圳精达仪器厂；DF20/35型双组分喷涂机，北京东盛富田有限公司；101A-3型电热鼓风恒温干燥箱，上海市崇明实验仪器厂；AWA6290T吸声测量系统，杭州爱华仪器有限公司；用于模拟客车车身喷涂生产线的600 mm×400 mm×2 mm铝板2块、500 mm×300 mm×30 mm铝框2个，自制。

1.2 聚醚组分的制备

将50.0 g白炭黑和100 mL偶联剂KH-560分散于1 000 g的去离子水中，2 600 r/min高速搅拌40 min，得到白炭黑浆料。聚醚组分配方见表1。

根据表1配方称取相应的聚醚三醇、聚合物多元醇、阻燃剂、催化剂和匀泡剂，放入开口容器中。在25～40℃下搅拌30 min后，边搅拌边添加自制白炭黑浆料和去离子水，添加完后25～40℃再搅拌60 min，得到聚醚组分。其中，根据白炭黑浆料的添加量(质量分数)0、0.13%、0.26%、0.39%、0.52%标记为1＃～5＃的5组样品。

表1 聚醚组分配方

1.3 喷涂聚氨酯泡沫的制备

以聚合MDI作为异氰酸酯组分，使用DF20/35型喷涂机制备喷涂泡沫。工艺参数如下:聚醚组分和异氰酸酯组分料温均为55℃，压力均为7.6 MPa；两个组分体积比1∶1。基材为自制铝板和铝框，模拟客车涂装生产线进行喷涂发泡。

1.4 分析与测试

聚醚组分黏度按GB/T 12008.7—2010进行测定。聚醚组分相容性测试方法:称取聚醚组分800～900 g装入1 L广口瓶中，静置40 d后观察料液的分层情况。

喷涂施工过程评价方法:铝板、铝框悬挂高处或竖立放置，模拟客车涂装线用喷枪进行喷涂。观察喷枪口料液的雾化效果及枪口的残存物料，记录起发时间，观察起发过程有无滴落流挂现象。

泡沫收缩、内部缺陷的评价方法:混合料液喷涂在自制铝板和铝框上，发泡完成，常温放置30 min后，观察泡沫与铝框立面之间有无脱离，如有脱离但缝隙宽度≤0.6 mm，判定泡沫无收缩；将泡沫体破坏，如果发现其内部存在体积≥40 cm3的孔洞即计为有一处内部缺陷。材料从铝板和铝框剥离后，采用百格法测试材料的附着面积。

吸声系数按GB/T 18696.2—2002中的第2部分传递函数法进行测试，试样直径100 mm，厚度30 mm，频率范围 50～6 300 Hz。

泡沫材料密度按GB/T 1033—2008进行测定；氧指数按GB/T 2406.2—2009进行测定；水平燃烧按GB 8410—2006进行测定；导热系数按 GB/T 10294—2008进行测定。

2 结果与讨论

2.1 白炭黑浆料添加量对聚醚组分黏度的影响

白炭黑具有增稠触变性，对液体介质的黏度影响较大，表2为不同配方体系下聚醚组分的黏度。

表2 白炭黑浆料添加量对聚醚组分黏度的影响

由表2可知，随着白炭黑浆料添加量的增加，聚醚组分的黏度明显增加，这是因为白炭黑聚集体可通过表面羟基间的氢键连接在一起，形成三维的二氧化硅网络，料液被包裹在二氧化硅网络结构中，这种结构能提高体系的中低剪切黏度。

2.2 白炭黑浆料添加量对聚醚组分相容性的影响

聚醚组分中的高水量易引起油水分离，整个体系相容性差，在存储过程中易分层，影响施工。图1为不同白炭黑浆料添加量下聚醚组分静置40 d后的分层情况。

图1 不同白炭黑浆料添加量下聚醚组分的分层情况

由图1可见，静置40 d后，1＃样品有明显的分层；2＃样品有少量上清液析出但不明显；3＃、4＃、5＃样品无明显分层。这是因为白炭黑表面含有大量的羟基，亲水性较好。浆料中添加的硅烷偶联剂KH-560可对二氧化硅改性，部分硅醇键与KH-560反应生成了共价键，KH-560的另一端环氧基团亲油性较好，白炭黑浆料发挥了“桥梁”作用，阻止了体系的油、水界面形成，同时触变效应使料液黏度变大，也减缓了分层现象的发生。

2.3 白炭黑浆料添加量对喷涂施工过程的影响

客车内喷涂多为顶面和立面喷涂施工，易产生流挂、流痕甚至滴落情况。若料液大量滴落，将影响工人施工，并造成物料浪费。所以喷涂施工过程要求液料雾化效果好、起发速度适中、无滴落流挂、喷枪口处残留料少。表3为白炭黑浆料添加量对喷涂施工过程的影响，其中的实验编号与使用聚醚组分样品编号一致。

表3 白炭黑浆料添加量对喷涂施工过程的影响

由表3可知，5个配方起发时间都为3～4 s，发泡速度适中，没有明显区别；1＃有明显的流挂滴落现象，3＃、4＃、5＃均未出现滴落，说明白炭黑浆料可解决流挂滴落问题。这是因为在该体系中白炭黑有效发挥了触变剂作用。但随着白炭黑浆料添加量的增加，聚醚组分黏度明显增加，导致4＃、5＃聚醚组分和异氰酸酯组分混合雾化效果变差，枪口残留物料变多。5＃施工时，经常发生堵枪现象，需反复清理枪口，影响了施工效率。综上所述，3＃聚醚配方体系白炭黑浆料质量分数0.26%时，施工效果较好。

2.4 对泡沫收缩、内部缺陷及附着面积的影响

客车车身经喷涂施工后，客车厂一般验收标准有:泡沫无明显收缩，整车泡沫内部缺陷个数≤5个，泡沫材料在铝板上的附着面积≥90%。

图2为白炭黑浆料的添加量对材料收缩、内部缺陷及铝板上附着情况的图片。

图2 白炭黑浆料对泡沫材料收缩、泡沫内部及铝板上附着面积的影响

由图2可见，以上配方所制备的泡沫材料内部均无缺陷。1＃泡沫在铝板框表面无附着；2＃配方泡沫少量附着在铝板框上；3＃、4＃、5＃泡沫大量附着在铝板框上。附着面积测试结果如表4所示。

表4 白炭黑浆料添加量对泡沫材料附着面积的影响

由表4 可知，3＃、4＃、5＃配方体系下的泡沫材料附着在铝板框上的面积均超过了90%。这是因为白炭黑浆料中含有硅羟基，可与铝板表面含有结晶水的金属氧化物相互作用，且KH-560水解后可生成硅醇基，分子链中含有强极性环氧基团，均可有效提高泡沫材料的附着力。

5＃配方体系下的泡沫在人为破坏前出现了明显的收缩，与铝板框脱开了一条裂缝，而 1＃、2＃、3＃、4＃均紧贴铝板框。这是因为白炭黑在聚氨酯泡沫核化过程中起到成核剂的作用，增加了气泡浓度，致使体系内泡体密堆积，孔径减小，可有效改善泡孔结构，使泡孔更细腻、均匀。随着白炭黑浆料添加量的增加，不规则泡孔数量逐渐减少，孔径变小。但白炭黑浆料用量过大时，如5＃配方，会导致泡沫闭孔收缩。

2.5 白炭黑浆料添加量对材料吸声性能的影响

聚氨酯泡沫为多孔材料且孔洞相互贯通，其综合了一般多孔型材料和柔性材料的阻尼吸声机理的特性，具有较好的吸声、隔声性能。图3为白炭黑浆料添加量对泡沫材料吸声性能的影响。

图3 白炭黑浆料添加量对泡沫材料吸声性能的影响

由图3可知，在低频50～500 Hz范围，5条吸声曲线基本一致，吸声系数均小于0.2，吸声效果较差。在中频500～1 600 Hz范围，泡沫的吸声效果都在逐渐变好，添加了白炭黑浆料的2＃、3＃、4＃泡沫的吸声系数高于1＃的，是因为白炭黑的匀泡效果使泡孔更细腻、均匀，从而提高了材料的吸声系数；而5＃因为泡沫存在较多闭孔，部分空隙间的连通中断，导致吸声能力下降；在高频1 600～6 300 Hz范围，泡沫材料吸声系数呈波浪型，时高时低，但均高于0.4，而3＃、4＃泡沫材料的吸声性能更优，吸声系数均在0.5以上，说明对于高频声波这两种泡沫材料整体吸声效果较好。