2023年汽车扰流板用聚氨酯材料的开发.doc

130 · 40 · 　　　化学推进剂与高分子材料 Chemical Propellants & Polymeric Materials 汽车扰流板用聚氨酯材料的开发 杜俊超，孙海欧，于文杰 〔黎明化工研究院，河南洛阳　　４７１０００〕  ２００９ 年第 ７ 卷第 １ 期 摘　 要： 对汽车扰流板用聚氨酯材料的配方、生产工艺及制品性能进行了研究，解决了制品高温烘 烤变形及外表针孔等问题，生产出了高性能的聚氨酯汽车扰流板。 关键词： 汽车扰流板；聚氨酯；开发 中图分类号：　ＴＱ３２３．８　　　　文献标识码：　Ａ　　　　文章编号：　１６７２－２１９１〔２００９〕０１－００４０－０３ 汽车扰流板是汽车尾部安装的一个与水平方向呈一定角度的附加板。汽车高速行驶过程中，利用其倾斜度，可使风力直接产生向下的压力，减少车辆尾部的气动升力，提高汽车的行驶稳定性。同时扰流板还可增强汽车的动感和美观，体现个性化设计及降低汽车油耗等作用。目前，按照空气动力学原理设计的汽车扰流板在欧美等兴旺国家已得到广泛应用。在中国，随着汽车工业的快速开展，人们对于汽车轻量化、节能、美观、快速、安全和舒适等要求越来越高，大量轿车装配了扰流板。扰流板属汽车外饰件，须有良好的外观和力学性能，扰流板材料必须通过上下温实验及材料性能实验，以满足高温烤漆工艺及不同使用环境下的要求；因此，其对材料的要求很高。当前，国内外主要采用 ＡＢＳ 材料挤出吹塑成型工艺生产汽车扰流板，使用吹塑工艺生产的汽车扰流板上下温性能好，不易翘曲变形，但力学性能较差，脆性大，使用过程中容易开裂；同时，昂贵的模具费用也 射口处出大气泡等问题，使制品外表质量、上下温 性能和形变稳定性能得到了很大改善。目前，材料 性能稳定，制品外表良好，已投入工业化生产。 １　　实验局部 １．１　　原料 聚醚多元醇 Ｇ Ｒ － ８ ３ ５ Ｇ ：工业级，上海高桥石化公司；聚酯多元醇 Ｐ Ｓ １ ：自制；交联剂 Ｌ Ｍ Ｎ ：自制；异氰酸酯〔ＰＭ－２００，液化 ＭＤＩ－１００ＬＬ〕：工业级，烟台万华聚氨酯；Ｈ Ｃ Ｆ Ｃ － １ ４ １ ｂ ：工业级，杭州富时特化工；泡沫稳定剂 〔Ｂ８８７０，　Ｂ８４４４〕：工业级，德国 Ｇｏｌｄｓｃｈｍｉｄｔ 公司；泡沫稳定剂 Ａ Ｋ － １ ５ ８ ：工业级，南京德美世创公司；催化剂〔 Ａ ３ ３ ，Ｔ Ｍ Ｒ － ２ ，醋酸钾〕 ：溧阳市雨田化工；催化剂 Ｙ Ｃ － ５ ：自制。 １．２　　设备和模具 Ｇ Ｍ Ａ － Ｈ ６ ０ 型高压浇注机：润英集团；闭模浇注钢模：模具尺寸为 １ ３００ ｍｍ × ２７０ ｍｍ × ２６０ ｍｍ，可通循环水控制模具温度。 １．３　　根本 使扰流板的生产本钱普遍较高。 为提高生产效率，改善材料的力学性能，国 内外尝试使用聚氨酯反响注射成型〔ＲＩＭ〕材料和工艺 生产汽车扰流板，制品力学性能较好；但材料耐 温性稍差，外表容易产生气孔，影响外观，增加 　　　　　　　原料名称 聚醚〔聚酯〕多元醇 催化剂 泡沫稳定剂 水 物理发泡剂 质量份 １００ ０．５￣３．５ １．０￣２．０ ０．５￣１．５ ０￣１０ 了后期加工难度。因此，到目前为止，采用该法 生产汽车扰流板没有得到大面积推广，市场上也没 有相关材料的销售［１￣４］。 黎明化工研究院经过多年的研究，对配方进行 不断改良，并屡次进行上机实验，先后克服了制品 高温烘烤变形、外表大量针孔、橘皮、粘模及注 配方中 ＮＣＯ 指数为 ０．９￣￣１．２。 １．４　　性能测试方法 硬度：ＧＢ／Ｔ　５３１ — １９９９ 橡胶袖珍硬度计压入硬度试验方法；密度：ＧＢ／Ｔ　１０３３ — １９８６ 塑料密度和相对密度试验方法；弯曲强度、弯曲模量：ＧＢ／Ｔ　９３４１ — ２０００ 塑料弯曲性能试验方法；拉伸强度：ＧＢ／Ｔ　１０４０ — ２００６ 塑料拉伸性能的测定。 ２　　结果与讨论 ２．１　　配方研究 汽车扰流板用聚氨酯材料要求原料相容性和流 动性好；制品要求密度小，力学性能和上下温性能好，外表质量高，后处理方便，同时还要求快速脱模，提高生产效率。这些条件对该材料的配方提出了很高的要求。 ２．１．１　　多元醇的影响 汽车扰流板需经受后期高温烤漆工艺，因而对制品硬度和形变稳定性要求较高。而聚氨酯材料的耐热性一般较差，随温度上升，弯曲模量会不断下降，制品易变形。选用羟值较大、官能度较高的 聚醚多元醇 Ｇ Ｒ － ８ ３ ５ Ｇ ，可提高制品的耐热性。同时适量参加羟值较大、黏度较小的 ２ 官能度芳烃聚酯多元醇 Ｐ Ｓ １ ，可改善原液的流动性及制品韧性。  显改善。但 Ｌ Ｍ Ｎ 用量过多，会影响制品韧性，当 交联剂用量为 １ ０ ％ ￣ １ ５ ％ 时，制品性能较好。 ２．１．３　　催化剂的影响 催化剂对原料反响速度和制品性能有决定性的影响，适宜的催化剂体系能赋予系统较长的操作时间和较短的脱模时间，使物料相对分子质量明显变大之前能充满整个模具。在汽车扰流板用聚氨酯材料中，为使体系有较长的操作时间和较短的脱模时间，需使用相应的延迟催化剂。同时，为提高制品耐热性能，可少量使用三聚催化剂，如醋酸钾、油酸钾等。不同催化剂对制品性能的影响见表 ３ 。 表 ３　　不同催化剂及用量对制品性能的影响 Ｔａｂ．３　　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｃａｔａｌｙｓｔｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒａｍｏｕｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ 乳白时 凝胶时 ｍ〔催化剂〕：ｍ 耐高 催化剂 制品外表 间／ｓ 间／ｓ 〔Ａ 组分〕／％ 温性 Ａ ３ ３ ３ ０ ６ ５ １．７ 针孔较多 差 表 １ 是芳烃聚酯多元醇用量与韧性及制品尺寸 醋酸钾 ２ ９ ６ １ ０．５ 不平整 好 稳定性的关系。可以看出，随 Ｐ Ｓ １ 用量增加，制品韧性增加，但 Ｐ Ｓ １ 参加过多，材料尺寸稳定性 Ｙ Ｃ － ５ ３ ０ ５ ０ １．５ 良好 差 复配催化剂 ２ ９ ５ ５ ０．８ 良好 好 变 差 。 当 聚 酯 多 元 醇 质 量 占 多 元 醇 总 质 量 的 １ ０ ％ ￣ １ ５ ％ 时，材料韧性和材料尺寸稳定性较好。 表 １　　芳烃聚酯多元醇用量与制品韧性及尺寸稳定性的关系 Ｔａｂ．１　　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ａｒｏｍａｔｉｃ　ｐｏｌｙｅｓｔｅｒ　ｐｏｌｙｏｌ　ａｍｏｕｎｔ　ｗｉｔｈ ｐｒｏｄｕｃｔ　ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ 　　注：复配催化剂配比为 ｍ〔Ａ３３〕：ｍ〔醋酸钾〕：ｍ〔ＹＣ－５〕＝３：１：３。 从表 ３ 可看出，在实际生产中，控制乳白时间为 ２９~３０ｓ 时较为适宜，在此根底上的实验结果为：单独使用 Ａ３ ３ 、醋酸钾，制品外表较差，而使用自制的延迟催化剂 ＹＣ － ５ ，制品耐高温性能不好。而 ｍ〔聚酯多元醇〕：ｍ〔多元醇〕％ ０ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ ２．１．２　　交联剂的影响 韧性 差 差 好 好 好 尺寸稳定性 好 好 好 好 差 采用复配催化剂，不仅脱模时间短，而且制品综合 性能好。 ２．１．４　　 发泡剂及用量的影响 发泡剂对汽车扰流板性能影响较大，需同时使 用水和物理发泡剂〔ＨＣＦＣ－１４１ｂ〕。水可与异氰酸酯反响放出 Ｃ Ｏ ２气体，在发泡的同时，生成局部脲 在配方中适量参加低相对分子质量扩链剂和交联剂，可提高制品的硬度和强度，同时可有效改善制品的上下温性能和形变稳定性。笔者采用自制的高官能度交联剂 Ｌ Ｍ Ｎ ，研究了其用量与制品硬度及热下垂温度的关系，结果见表 ２ 表 ２　　交联剂 ＬＭＮ 用量与制品硬度及乳白时间的关系 Ｔａｂ．２　　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｃｒｏｓｓｌｉｎｋｅｒ　ＬＭＮ　ａｍｏｕｎｔｗｉｔｈ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｃｒｅａｍ　ｔｉｍｅ ｍ〔 交联剂 Ｌ Ｍ Ｎ 〕 ： ｍ〔 Ａ 组分〕 ／ ％ 邵 Ｄ 硬度 热下垂温度 ／℃ 键，增加了制品的硬度和耐热性。如单独使用水作为发泡剂，制品外表针孔较多。而物理发泡剂发泡均匀，并能有效降低体系黏度，同时制品外表会形成一层致密的表皮，利于后期加工。 表 ４ 是物理发泡剂用量与制品外表质量的关系〔水质量分数为 ０．７％〕。 表 ４　　物理发泡剂用量与制品外表关系 Ｔａｂ．４　　Ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｆｏａｍｉｎｇ　ａｇｅｎｔａｍｏｕｎｔ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ０ ５ １ ０ １ ５ ２ ０ ５ ８ ６ ４ ６ ９ ７ ５ ７ ８ 　　７２ 　　８４ 　　９４ １０２ １０８ ｍ〔物理发泡剂〕：ｍ〔Ａ 组分〕／％ ０ ５ ８ １ ０ 制品外表质量 针孔较多 少量针孔 表 皮 致 密 ， 无 针 孔 表 皮 致 密 ， 无 针 孔 从表 ２ 可看出，随交联剂 Ｌ Ｍ Ｎ 用量的增加， １ ５ 表皮硬度明显下降 制品的硬度和热下垂温度明显增加，耐高温性能明 从表 ４ 可看出，物理发泡剂对制品外表质量影 · 42 · 　　　化学推进剂与高分子材料 Chemical Propellants & Polymeric Materials  ２００９ 年第 ７ 卷第 １ 期 响较大，但用量过多，制品密度降低，材料硬度和耐热温度也会下降，不宜大量使用。采用 ５￣８ 份的物理发泡剂，制品表皮致密，无针孔出现。 ２．１．５　　泡沫稳定剂的影响 泡沫稳定剂可以稳定泡孔和调节泡孔结构，增加原料的互容性，对制品外表的改善也有很大帮助。但泡沫稳定剂的活性会影响制品脱模时间。  长，影响生产效率。 表 ７ 为物料温度对制品外表的影响，可以看 出，当料温为 ３ ５ ℃左右时，制品外表优秀。 表 ７　　物料温度对制品外表的影响 Ｔａｂ．７　　Ｅｆｆｅｃｔｓ　ｏｆ　ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ 　ｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｐｐｅａｒａｎｃｅ 物料温度 ／℃ 制品外表 ２ ０ 有 橘 皮 ， 针 孔 多 表 ５ 是不同泡沫稳定剂与泡孔结构和制品脱模时间之间的关系，可以看出，采用热模塑泡沫稳定剂Ｂ ８ ８ ７ ０ ，泡孔均匀细腻，脱模时间较短 。 表 ５　　不同泡沫稳定剂与泡孔结构及制品脱模时间的关系 Ｔａｂ．５　　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｆｏａｍ　ｓｔａｂｉｌｉｚｅｒｓ　ｗｉｔｈ　ｆｏａｍ ２ ５ ３ ０ ３ ５ ４ ０ ２．２．２　　 模具温度 有 橘 皮 ， 针 孔 减 少 有 橘 皮 ， 无 针 孔 无 橘 皮 ， 无 针 孔 ， 无 气 泡 浇口处有气泡 ｃａｖｉｔｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｄｅｍｏｕｌｄｉｎｇ　ｔｉｍｅ 生产聚氨酯扰流板时，降低模温时制品外表粗 泡沫稳定剂 Ｂ ８ ４ ０ ４ Ａ Ｋ － １ ５ ８ Ｂ ８ ８ ７ ０ 泡孔结构 不均匀 均匀细腻 均匀细腻 制品脱模时间 ／ｍｉｎ １８￣２０ １８￣２０ １０￣１２ 糙，脱模时间较长；而模温较高时制品外表光滑， 针孔较少。但模温过高，会使物料溢出过多，造 成制品密度下降，还会使制品表皮变薄，外观变 ２ ． １ ． ６ 　 　 异氰酸酯对制品性能的影响 制备汽车扰流板用聚氨酯材料常用的异氰酸酯是多亚甲基多苯基多异氰酸酯〔ＰＡＰＩ〕，它苯环含量高，活性大，且制品交联度高，制品耐热性好，差。表 ８ 为模具温度对制品外观及