聚氨酯弹性体生产工艺配方技术

1、聚氨酯弹性体工艺流程一、聚氨酯弹性体的概述二、聚氨酯弹性体的主要原料三、聚氨酯弹性体主要生产设备四、模具的加工五、聚氨酯弹性体生产工艺流程六、生产过程中注意事项一、聚氨酯弹性体的概述所谓弹性体是指玻璃化温度低于室温，扯断伸长率 50%，外力撤出后复 原性比较好的高分子材料，而玻璃化温度高于室温的高分子材料称为塑料。在 弹性体中，其扯断伸长率较大 200% ）、100%定伸应力较小 如V 30Mpa ）、弹性较好的可称为橡胶。所以弹性体是比橡胶更为广泛的一类高分 子材料。聚氨酯弹性体，又称聚氨酯橡胶是弹性体中比较特殊的一大类，其原材料 品种繁多，配方各种各样，可调范围很大。聚氨酯弹性体硬度范围很

2、宽，低至 绍尔 A10 以下的低模量橡胶，高至绍尔 D85 的高抗冲击橡胶弹性材料。所以聚 氨酯弹性体的性能范围很宽，是介于从橡胶到塑料的一类高分子材料。 二、聚氨酯弹性体主要原材料聚氨酯弹性体用的原料主要是三大类，即低聚物多元醇、多异氰酸酯和扩 链剂 交联剂）。除此之外，有时为了提高反应速度，改善加工性能及制品性 能，还需加入某些配合剂。下面只对生产的聚氨酯鞍座所用原材料进行具体描 述。反应过程：多元醇与二异氰酸酯反应，制成低分子量的预聚体；经扩链反 应，生成高分子量聚合物；然后添加适当的交联剂，生成聚氨酯弹性体。其工 艺流程如下：2.1低聚物多元醇聚氨酯用的低聚物多元醇平均官能度较低，通常

3、为2或23.相对分子质量为4006000，但常用的为10002000.主要品类有聚酯多元醇、聚醚多元醇、 聚&己内酯二醇、聚丁二烯多元醇、聚碳酸酯多元醇和聚合物多元醇等。它们 在合成聚氨酯树脂中起着非常重要的作用。一般可通过改变多元醇化合物的种 类、分子量、官能度与分子结构等调节聚氨酯的物理化学性能。聚酯多元醇聚酯多元醇简称聚酯，是聚氨酯弹性体最重要的原料之一。它是由二元羧酸和多 元醇缩聚而成，最常用的二元羧酸是己二酸，最常用的多元醇有乙二醇、丙二 醇、丁二醇、二乙二醇。此外，一些特殊聚酯还用戊二醇、乙二醇、三羟甲基丙 烷、甘油等多元醇。因为可用的多元醇品种多，所以聚酯的分子结构多种多样， 品

4、种牌号也较多。为了得到端羟基聚酯，必须用过量的多元醇与二元羧酸反应。一般采用间歇法生产聚酯。其反应过程分为酯化反应和酯交换反应两个阶段。生产装置大同小异，一般工艺流程，主要设备包括缩合釜、分馏冷凝器、冷凝器、 计量罐、真空系统、加热冷却系统和控制系统。整个系统的气密性要求十分严 格。缩合釜搅拌轴可采用端面机械密封。加料顺序先加多元醇和配合剂，后加已 二酸，然后充氮。酯化反应从加热升温开始到22025 0C后约1h基本完成。此阶段主要是常压脱水过程，生成低分子聚酯和缩合水。当升温到135C左右时酯化反应最激烈，生成大量缩合水。因为缩合水的蒸发会发生大量气泡上升，用 1， 4-丁二醇和 1，6-

5、乙二醇为原料时气泡尤为激烈。此时应及时调节加热功 率，控制冷凝器出水速度，防止大量水蒸气将大量分子多元醇带出分馏冷凝器。 激烈反应过后，维持适宜的出水速度，逐渐将反应温度升到220250C .当酸值降至30mgKOH/gt右或出水量约等于理论水量时，因为混合物中的羟酸很少，酯 化难以继续进行，出水基本停止，酯化反应阶段基本结束。本次聚氨酯鞍座中所选用的低聚物多元醇为聚酯多元醇，牌号为 ODX-218, 分子量 2000。2.2 多异氰酸酯 多异氰酸酯品种也不少，但产量最大的只有两种，即二苯基甲烷二异氰酸 酯 MDI ）及其聚合物多苯基多亚甲基多异氰酸酯PAPI ）和甲苯二异氰酸酯TDI ）。多

6、异氰酸酯我们采用德国拜耳的 TDI-100 。TDI 是以甲苯为基本原料，用硝酸和硫酸的混合物进行硝化生成二硝基甲 苯，然后溶于甲醇中，在雷尼催化剂和 1520Mpa 的氢气压下进行加氢还原成 甲苯二胺 。如单硝基甲 苯混合物现经结晶分离出纯的邻位和对位单硝基苯，再分别进行第二次硝化和 还原，光化，可制得 65/35TDI（T-65 和纯 2,4-TDIT-100 ）。生产过程见下 图： 化学反应方程式：异氰酸酯的反应是有有机酸酯与氰酸钾而得：R2SO4+KCN 2RNCO+K 2SO4甲苯硝基甲苯异构体混合物TDI产品中T-80占绝大部分，主要用于软质泡沫塑料，约占软质泡沫塑料 产量的31.

7、5%，其次是聚氨酯涂料、胶粘剂和弹性体，T-100产量主要是用于生 产聚氨酯预聚体及聚氨酯弹性体。T-65基本上不生产了被T-80代替。2.3扩链剂与交联剂扩链剂与交联剂是具有不同化学作用的助剂，在聚氨酯弹性体的合成中，扩链剂参与化学反应，是聚合物分子增长、延伸；交联剂参加化学反应，不仅 使聚合物分子增长、延伸，同时还能在聚合物链中产生支化，产生一定的网状 结构，进行交联反应，一般扩链剂多为二元醇或二元胺类化合物。二元以上醇 类和胺类化合物则具有扩链和交联的双重功能。聚氨酯弹性体制备中所需的扩链剂和交联剂都有一定的要求，特别要求含水 量低于0.1%，若达不到该指标都要进行处理。一般使用的二元胺

8、类扩链剂都是芳香族的，最常用的是3，3二氯-4，4二苯基甲烷二胺 商品名为MOCA ）。MOCA是聚氨酯弹性体的扩链剂和交联剂，特别是对于浇注型聚氨酯弹性 体一般都用它，在 MOCA的结构中氨基邻位苯环上的氯原子取代基，使氨基电 子云密度增加，降低了氨基与异氰酸酯的反应速率，从而延长了釜中寿命，这 对于浇注聚氨酯弹性体制品是极其重要的。我们加工浇注制品时，通常将MOCA的用量控制在理论用量的 90%上下，其目的就是要使加工的制品具有相当的交联密度，以改善制品的压缩永久 变形和耐溶胀等性能。本次聚氨酯弹性体所选用的 MOCA是苏州湘原U型MOCA.2.4其他助剂助剂是橡胶工业的重要原料，用量虽小

9、，作用却甚大，聚氨酯弹性体从合 成到加工应用都离不开助剂。聚氨酯弹性体助剂种类很多，可根据制品的不同 要求适量加入。下面简单描述聚氨酯鞍座所用到的主要助剂。脱模剂它是生产聚氨酯弹性体制品时离不开的操作助剂。聚氨酯是强极性高分子 材料，它与金属和极性高分子材料的粘结力很强，不用脱模剂，制品很难从模 具中脱出。常用的脱模剂共有四种：第一类是硅橡胶、硅酯，用甲苯、二氯甲烷、三氯甲烷、汽油等溶剂溶配 成溶液，涂擦或喷涂在模具中。硅油也可做脱模剂，不过在热压硫化时不够理 想。第二类是水做溶剂的新产品。第三类是常压下用的脱模剂，像液体石蜡、真空泵油、凡士林等。第四类脱模机就是内脱模剂。着色剂聚氨酯弹性体制

10、品五颜六色，美观大方的外观靠的是着色剂。着色剂有两 种，有机染料和无机颜料，有机染料大部分用于热塑性聚氨酯制品中，装饰美 化注射件和挤出件。弹性体制品的着色一般有两种方式：一种是将颜料等助剂 和低聚物多元醇研磨成色浆母液，然后将适量的色浆母液与低聚物多元醇搅拌 混合均匀，再经加热真空脱水后与异氰酸酯组分反应生产制品，如热塑性聚氨 酯色粒料和彩色铺装材；另一种方法是将颜料等助剂和低聚物多元醇或增塑剂 等研磨成色浆或色膏，经加热真 空脱水，封装备用。使用时，将少许色浆加入 预聚物中，搅拌均匀后再与扩链交联剂反应浇注成制品。此法主要用于 MOCA 硫化体系，色浆中颜料含量约占 10% -30%，制品

11、中色浆的添加量一般在 0.1% 以下。三、聚氨酯弹性体主要生产设备 浇注型弹性体制品具有承载能力大，抗撕裂强度高，耐磨、耐油和硬度可 调节范围广的特点。根据不用的原材料和工艺条件，设计制造适于聚氨酯弹性 体的生产设备。3.1 反应釜3.1.1 用途用于聚酯 聚醚)多元醇脱水和预聚体聚合、脱泡，是聚氨酯橡 胶生成的重要设备之一。反应釜型号规格为 2.5T, 数量 2台。3.1.2 操作方法反应釜结构一般采用不锈钢内胆，附加热夹套及外包聚氨酯 硬泡绝热层的三层结构反应釜，附有搅拌、电加热油循环及控温系 统，真空缓冲罐及真空泵系统。反应釜上有进料、出料、观察、测温 及真空、安全放空及抽真空等工艺管孔

12、，其容积由要求的产量而定。常用容积有80L、120L、200L等。3.2 弹性体浇注机3.2.1 用途 可用于 TDI、 MDI 等预聚体的胺交联或醇交联体系的 CPU 制品 生产，与人工浇注相比，浇注机浇注质量稳定，生成效率高。弹性体浇注机型 号为 CPU20F( 两组份系列 ，数量 5 台3.2.2 操作方法 预聚体和扩链剂的混合方式可分为手工和机械两种。在批 量较小时，多采用手工、间歇式混合，所用容器根据预聚体数量选择，混合时 必须根据预聚体、扩链剂的品种，活性基团含量及温度，考虑反应放热的激烈 程度、釜中寿命以及制品所需要的数量等因素，酌情确定预聚体的加入量。这 是因为预聚体和扩链剂反

13、应为放热反应，在它们混合时会放出大量的热，加速 反应时系统黏度急剧上升，原料数量越多，反应让热越激烈，黏度上升越快， 物料上升越困难。因此，在使用手工混合数量较大的预聚体和扩链剂时，常会 出现混合胶料倒不出来的现象，有时虽然勉强倒入模腔，但因物料局部过热， 也会对制品性能及其均一性造成一定影响。因为上述原因，对大量的教主聚氨酯生产均采用机械连续混合方式，进行 预聚体和扩链剂的连续混合、连续浇注操作。典型的机械混合设备即浇注机。3.3真空泵3.1用途用于对所制得的聚氨酯预聚体真空脱气泡。真空泵型号为X-15，数量3台。3.2操作方法 预聚体进行升温加热后，对其抽真空脱气泡，只有充分混合 后尽量将

14、预聚体中的气泡抽出，制得的产品才能够达到预期的物理和 化学性能，制得的产品才能够合格。3.4预熟化加热设备4.1用途：用于模型预热和聚氨酯的定型、硫化等程序。4.2操作方法该设备一般有为卧式烘箱和硫化平板，可视模具的大小而定制 品所需成型压力，其中，卧式烘箱操作简单，现主要介绍硫化平板的 使用方法。首先，根据工艺条件，调节液压系统的工作压力和热板的 加热温度，将模具清理后置于热板上进行预热。检查所需半成品胶 料。从热板上取下模具，打开上模将胶料注入模具型腔，将上模板放 到模具上并置于热板上。注意模具应放置在热板中央位置。启动油泵 电机，升起热板进行合模，并保压硫化。3.5实验机 能满足用户多需

15、要的工艺条件 粘度、压力、温度、混合比及吐出量 等）。主要有拉力检测仪、耐磨检测仪、耐老化检测仪等。四、模具的加工4.1.模具模具的加工是制作聚氨酯弹性体另一较重要的部分。制得产品尺寸是否合格 完全由模具来体现，所以模具的加工也不能小视。模具是由钢材、铝制作的，为了延长模具的寿命，最好使用渗碳钢。也可用 固体聚氨酯、硅橡胶、聚酯或环氧树脂、玻璃纤维增强塑料等来制作模具。用钢材、铝和渗碳钢加工模具，建议在两块平行的模板之间开设若干0.1mm的气眼，以利于气泡及时排出。42收缩率所有类型的聚氨酯弹性体脱模后均会产生某些收缩现象，其标准收缩率范围 是0.9%2.0%，所以在制作模具时应对此加以考虑。

16、特别是对那些精密机械的 弹性体，设计模具时应准确地计算出制品的收缩余量。4.3. 钢制模具的清理和清洗一般清理模具上的黏着物时，用铜制小边铲轻轻去除黏结物。需要清洗的 模具，先用水洗，再用汽油或丙酮等有机溶剂擦洗，干燥后涂覆脱模剂放置备 用。4.4. 聚氨酯弹性体的后硫化聚氨酯弹性体的后硫化也叫陈化。不管是 TPUR,还是MPUR和CPUR的 试片，不能硫化后就去测试，一定要进行后硫化，一般试片的户硫化条件为 6080 C下1624h或室温下防止710天后再进行测试。后硫化后测试的性能 是稳定的。同样，PUR的各种制品也是应该经过后硫化后才能使用的。五、聚氨酯弹性体生产工艺流程聚氨酯弹性体的制

17、造一般采用两种工艺路线：预聚法和一步法。浇注型弹 性体多采用二步法 预聚体法），少部分采用一步法 如低模量产物）。浇注型聚氨酯弹性体 简称CPU）是聚氨酯弹性体中应用最广、产量 最大的一种；进行浇注和灌注成型，可灌至各种复杂模具的制品。5.1 一步法预聚体的合成聚氨酯浇注胶（CPUR 一步法合成是将聚合物二元醇、二异氰酸酯和扩链 剂放在一起，经充分混合后浇入磨具中加热固化，待尺寸稳定后进行后硫化， 后硫化温度条件为10 0C下3-24h，详见如下图：一步法合成CPUR 般物性不佳，只有在聚合物多元醇类的羟值 2时， 或多异氰酸酯的-NCO数2时，用一步法合成最合适，如软泡塑料和硬泡塑料 等，采

18、用一步法。聚合物多元醇及多异氰酸酯的羟基数都等于2的原料，最好采用预聚合物合成CPUR。5.2二步法预聚体的合成制作较大的聚氨酯制品时，单纯用多异氰酸酯和聚合物多元醇一步法反 应，要放出大量的热，使制品内部受热老化，同时分解放出低分子物，使制 品内部形成泡沫，制品变成废品。所以特大件浇注型聚氨酯制品不能用一步 法进行生产。由预聚体预聚法合成聚氨酯浇注胶制品，生产过程中操作平 稳，没有过热现象。所以本产品采用二步法 预聚法）合成。将聚合物二元醇和二异氰酸酯制成预聚体放在一起充分混合，经真空脱泡 后注入模具注入模具固化，而后硫化得产品，详见如下图：注：用户可根据自己的操作条件和经验，适当增减其中的

19、程序，以保证提高生产效率或提高产品的精度。首先将聚酯在130 C下减压脱水，将脱水的聚酯原料60 C时）加入到盛有配合量TDI-100反应容器内，在充分搅拌的情况下合成预聚体。合成反应是放热的，应注意控制反应温度在 75C -82C范围内，反应2h即可。然后将合成的 预聚体置于75 C真空干燥箱内，并且抽真空脱气 2h后备用。然后将预聚体加热到100 C,并抽真空 真空度-0.095mpa ）脱气泡，称取 交联剂MOCA,用电炉加热115 C熔化，模具涂上适宜的脱模剂预热 100 C）,脱气后的预聚体和熔化后的MOCA混合，混合温度100 C,并搅拌均匀，将搅拌均匀后的混合物再次抽真空脱气泡，将搅拌均匀脱完气泡的混 合物，快速浇注到已经预热的模具中，得混合物不流动或不粘手凝胶状）时，合上模具，置于硫化机中进行模压硫化 硫化条件：硫化温度120-130 C，硫化 时间，对于大而厚的弹性体，硫化时间在60min以上，对于小而薄的弹性体，硫化时间在20min ），后硫化处理，将模压硫化后的制品放在90-95 C 特殊情况下可在100 C）烘箱内继续硫化10h，然后在室温放置7-10天完成熟化，最 后制的成品。根据以上加工过程，可推算出一副聚氨酯弹性体模具，每天产能最多可达 到8个/天。六、聚氨酯弹性体加工过程中操作要点6.1温度控制合成