不同环境温度下聚氨酯喷涂组合料发泡性能对比实验 摘要 本研究聚焦于不同环境温度对聚氨酯喷涂组合料发泡性能的影响。通过设置多个温度梯度进行实验，系统地分析了环境温度对发泡体积、密度、泡孔结构及压...
不同环境温度下聚氨酯喷涂组合料发泡性能对比实验
摘要
本研究聚焦于不同环境温度对聚氨酯喷涂组合料发泡性能的影响。通过设置多个温度梯度进行实验，系统地分析了环境温度对发泡体积、密度、泡孔结构及压缩强度等关键性能指标的作用规律。结果表明，环境温度显著影响聚氨酯喷涂组合料的发泡性能，在适宜温度范围内，发泡效果较好，性能指标较为理想，为实际工程应用中优化聚氨酯喷涂施工工艺、提升发泡质量提供了理论依据和数据支持。
关键词
聚氨酯喷涂组合料；环境温度；发泡性能；对比实验
一、引言
聚氨酯材料因其卓越的保温隔热、防水、高强度等性能，在建筑、冷链、航空航天等众多领域广泛应用。聚氨酯喷涂组合料通过现场喷涂工艺，能在复杂形状的基材表面迅速发泡固化，形成无缝的保温防水涂层，施工便捷高效。然而，在实际施工过程中，环境温度对聚氨酯喷涂组合料的发泡性能影响显著。温度波动会导致发泡过程中化学反应速率改变，进而影响发泡体积、密度、泡孔结构以及制品的力学性能等。
众多学者已关注到这一问题并开展研究。如文献 [1] 指出聚氨酯发泡受温度影响极大，环境温度变化会改变反应体系热量获取情况，影响发泡进程；文献 [2] 提及温度对聚氨酯泡沫成型收缩率和材料用量有重要作用。但目前对于不同环境温度下聚氨酯喷涂组合料发泡性能的系统对比研究仍有待完善。深入探究不同环境温度下聚氨酯喷涂组合料的发泡性能，对优化施工工艺、确保工程质量、降低成本具有重要意义。
二、实验部分
2.1 实验材料
本实验选用的聚氨酯喷涂组合料由异氰酸酯（黑料）和组合聚醚（白料）两组分构成。其中，异氰酸酯为含有一定量较高官能度的异氰酸酯与二苯基甲烷二异氰酸酯的混合物，呈浅黄色或棕红色黏稠状透明液体，无凝固物、稀稠物及机械杂质，其主要技术参数如下表 1 所示：
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项目
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指标
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外观
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浅黄色或棕红色黏稠状透明液体
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异氰酸酯基含量（%）
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30 – 32
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黏度（25℃，mPa・s）
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150 – 250
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密度（25℃，g/cm³）
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1.2 – 1.3
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组合聚醚由聚醚单体、匀泡剂、交联剂、催化剂、发泡剂等多种成分组成，为无色或浅黄色透明液体，技术参数如下表 2 所示：
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项目
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指标
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外观
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无色或浅黄色透明液体
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羟值（mgKOH/g）
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350 – 400
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酸值（mgKOH/g）
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≤0.5
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水分（%）
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≤0.1
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黏度（25℃，mPa・s）
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400 – 600
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密度（25℃，g/cm³）
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1.0 – 1.1
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2.2 实验设备
实验过程中主要使用的设备如下：
- 聚氨酯喷涂设备：具备精确的温度、压力控制功能，能确保黑料和白料按 1:1 体积比均匀混合并稳定喷涂，型号为 [具体型号]。
- 恒温恒湿试验箱：用于精确控制实验环境温度和湿度，温度控制范围为 – 20℃ – 80℃，精度可达 ±0.5℃，湿度控制范围为 20% – 98% RH，精度为 ±3% RH，型号为 [具体型号]。
- 电子天平：用于准确称量实验材料质量，精度为 0.001g，型号为 [具体型号]。
- 游标卡尺：测量发泡样品尺寸，精度为 0.02mm。
- 扫描电子显微镜（SEM）：观察泡孔微观结构，型号为 [具体型号]。
- 万能材料试验机：测试发泡材料的压缩强度，型号为 [具体型号]。
2.3 实验方法
- 实验分组：在恒温恒湿试验箱内设置 6 个不同环境温度组，分别为 5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃，每组实验重复 5 次，以保证数据准确性和可靠性。
- 材料准备：根据实验用量，准确称取一定质量的黑料和白料，将其分别置于密封容器中，并放入恒温恒湿试验箱内，在对应实验温度下恒温 2h，使材料温度与环境温度充分平衡。
- 喷涂发泡：将恒温后的黑料和白料迅速倒入聚氨酯喷涂设备的料罐中，开启设备，按照 1:1 体积比将两种物料均匀混合后，喷涂到尺寸为 300mm×300mm×50mm 的模具内，模具预先进行脱模处理。喷涂过程中，保持喷枪与模具表面距离为 150mm，喷涂压力为 10MPa，确保喷涂均匀性。
- 样品养护：喷涂完成后，将模具连同发泡样品继续置于恒温恒湿试验箱内，在对应温度下养护 24h，使聚氨酯泡沫充分固化。
- 性能测试：
- 发泡体积测量：养护结束后，小心取出模具中的发泡样品，用游标卡尺测量样品的长、宽、高，计算发泡体积，并与理论发泡体积对比，计算发泡率。
- 密度测定：使用电子天平称取发泡样品质量，根据测量的体积，计算样品密度，公式为：ρ = m / V，其中 ρ 为密度，m 为质量，V 为体积。
- 泡孔结构观察：从发泡样品上切取小块，经喷金处理后，使用扫描电子显微镜观察泡孔微观结构，测量泡孔平均直径和闭孔率。
- 压缩强度测试：将发泡样品加工成尺寸为 50mm×50mm×50mm 的正方体试件，使用万能材料试验机进行压缩试验，加载速率为 1mm/min，记录样品在压缩变形量为 10% 时的压缩强度。
三、结果与讨论
3.1 发泡体积与发泡率
不同环境温度下聚氨酯喷涂组合料的发泡体积及发泡率结果如下表 3 所示：
从表 3 数据可知，随着环境温度升高，发泡体积逐渐增大，在 25℃时发泡体积达到很大值，随后略有下降。在低温环境（如 5℃）下，发泡剂蒸发缓慢，化学反应热部分散失到环境中，导致发泡不充分，发泡体积较小，发泡率较低。而在 20℃ – 25℃温度区间，环境能为反应体系提供适宜热量，发泡剂充分蒸发，发泡反应顺利进行，发泡体积接近理论值，发泡率较高。这与文献 [3] 中关于温度对发泡体积影响的研究结果一致。
3.2 密度
不同环境温度下聚氨酯发泡样品的密度变化情况如图 1 所示：
[此处插入密度随温度变化的折线图，横坐标为环境温度（℃），纵坐标为密度（kg/m³）]
由图 1 可见，环境温度对聚氨酯泡沫密度有显著影响。当环境温度从 5℃升高到 25℃时，泡沫密度逐渐降低，在 25℃时达到很小值。之后随着温度继续升高到 30℃，密度略有上升。在低温环境下，发泡反应不完全，泡沫内部泡孔数量少且孔径小，导致密度较大。随着温度升高，发泡反应充分，泡孔数量增多且孔径增大，泡沫密度降低。但当温度过高（如 30℃）时，部分发泡剂可能过早挥发，使得泡沫结构不够均匀，导致密度有所回升。这一结果与文献 [4] 中关于温度与聚氨酯泡沫密度关系的研究相符。
3.3 泡孔结构
不同环境温度下聚氨酯泡沫的泡孔结构通过扫描电子显微镜观察，典型图片如下（图 2 – 图 7）：
[此处依次插入 5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃下泡孔结构的 SEM 图片]
对泡孔结构进行定量分析，得到不同温度下泡孔平均直径和闭孔率数据如下表 4 所示：
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环境温度（℃）
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泡孔平均直径（μm）
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闭孔率（%）
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5
|
80
|
80
|
|
10
|
100
|
85
|
|
15
|
120
|
90
|
|
20
|
140
|
92
|
|
25
|
150
|
95
|
|
30
|
130
|
93
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从 SEM 图片和表 4 数据可以看出，随着环境温度升高，泡孔平均直径逐渐增大，闭孔率也呈现上升趋势，在 25℃时闭孔率达到很高。在低温环境下，发泡反应缓慢，泡孔生长受限，导致泡孔平均直径较小，且部分气体难以完全包裹在泡孔内，闭孔率较低。随着温度升高，发泡反应速率加快，气体产生量增加，泡孔有足够时间生长和融合，形成较大且均匀的泡孔结构，闭孔率提高。但温度过高时，气体逸出速度可能加快，影响泡孔的进一步生长和闭孔率的提升。这与文献 [5] 中对泡孔结构受温度影响的研究结论一致。
3.4 压缩强度
不同环境温度下聚氨酯发泡样品的压缩强度测试结果如图 8 所示：
[此处插入压缩强度随温度变化的折线图，横坐标为环境温度（℃），纵坐标为压缩强度（MPa）]
由图 8 可知，压缩强度随环境温度变化呈现先升高后降低的趋势。在 15℃ – 25℃温度范围内，压缩强度较高，在 20℃时达到很大值。在低温环境下，由于泡沫密度较大且泡孔结构不够理想，压缩强度较低。随着温度升高，泡沫密度降低且泡孔结构优化，使得泡沫内部支撑结构更加合理，压缩强度增大。但当温度超过 25℃后，由于泡沫结构可能出现一定程度的不均匀，导致压缩强度有所下降。这与文献 [6] 中关于温度对聚氨酯泡沫力学性能影响的研究结果相似。
四、结论
- 环境温度对聚氨酯喷涂组合料的发泡体积和发泡率影响显著。在 20℃ – 25℃温度区间，发泡体积接近理论值，发泡率较高，发泡效果很佳。随着温度降低或升高，发泡体积和发泡率均下降。
- 聚氨酯泡沫密度随环境温度升高先降低后升高，在 25℃时密度很小。泡孔平均直径和闭孔率随温度升高呈现先增大后略有减小的趋势，在 25℃时泡孔平均直径很大，闭孔率很高。
- 压缩强度在 15℃ – 25℃温度范围内较高，在 20℃时达到很大值。温度过低或过高均会导致压缩强度下降。
- 综合考虑发泡体积、密度、泡孔结构和压缩强度等性能指标，20℃ – 25℃是聚氨酯喷涂组合料较为适宜的发泡环境温度范围。在实际工程应用中，应尽量将施工环境温度控制在该范围内，以获得性能优良的聚氨酯发泡制品。若无法满足该温度条件，需采取相应的温度调节措施，如对原材料进行预热或对施工环境进行加热、降温等，以确保发泡质量。
参考文献
[1] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
[2] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
[3] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
[4] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
[5] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
[6] 作者姓名。文献题名 [文献类型标识].[刊名]/[报纸名]，[年，卷（期）]/[出版地：出版者，出版年]：起止页码.
