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粘弹性PU软质泡沫简介

2011-06-07   浏览次数:430

     粘弹泡沫,又叫做记忆泡沫、温度敏感泡沫、压力减缓(relieving)泡沫、缓慢复原(recovery)泡沫或缓慢释放(release)泡沫,国内更多的人把它称作慢回弹泡沫。看过一些关于“粘弹PU泡沫”和“记忆PU泡沫”的专利之后,觉得人们在使用这两个术语时,还是稍有差别的,前者强调松弛特性,而后者强调记忆功能。但是,2003年美国PU泡沫协会建议人们对这类材料统一使用“粘弹PU泡沫”这个术语。因为它们的结构特点和作用原理都是一样的。   

    这种PU泡沫,最早是作为NASA的一项成果于上世纪60年代中期进行工业生产的。这种开孔性(cell-open)软质PU泡沫(FPF)最突出的特点是,在宇航飞行器发射或重返时能使过载作用力(G-force)经过重新分配以后再作用在宇航员的身上,从而减弱了作用压力的大小,或者,为长时间飞行过程中的飞机驾驶员提供一个感觉更舒适的坐椅表面。   
      
    虽然粘弹泡沫的生产技术已经有37年以上的历史,但是,作为民用产品却只是最近几年才被人们广泛使用。对于FPF工业来说,粘弹压力分配特性(viscoelastic pressure distribution performance)这一概念的提出,乃是对舒适性理解的一项重大革新性的突破。   

    粘弹PU泡沫的特性   

    粘弹PU泡沫最典型的特性是,受压后,它的复原很缓慢。将一个具有一定重量的物体(如人体)置于粘弹泡沫上,则泡沫形状逐渐变得与该物体形面相贴合,而当将重量去除后,泡沫会缓慢地复原到它原来的形状。由于它的复原过程是缓慢的,所以人们把它称作“缓慢复原泡沫”或“慢回弹泡沫”。   

    粘弹PU泡沫的其它特性还包括:能阻尼振动和吸收冲击。后面这个特性在实验室是用钢球回跳实验(ball rebound test)表征的,粘弹PU泡沫的钢球回跳值通常低于20%(而其它的软质PU泡沫却高达50~60%),因此,有时人们把它叫做“呆滞”(dead)泡沫或“低回弹”(low-resilience)泡沫,也就是说,这种泡沫的表面缺少其它软质PU泡沫的那种“弹簧弹性”。有些粘弹泡沫据称能吸收掉90%以上的冲击能。这里,应当指出一点:粘弹PU泡沫并不一定是低回弹PU泡沫,或者说,不能把低回弹PU泡沫等同于粘弹PU泡沫。这是因为粘弹泡沫在使用过程中的加载速度和回跳实验时的加载速度是差别很大的。这种情况可以在本期“粘弹PU泡沫专利文摘”中看到。   

    此外,通常许多粘弹PU泡沫制品对人体体温是敏感的,也即由于体温的加热,这种粘弹泡沫制品的外形会随着它的变软而变得呈人体的外形,所以与人体更加贴合。   

    粘弹PU泡沫的好处和用途   
    
    粘弹PU泡沫所具有的上述独特特性,使它在床铺制造和医疗器材中得到了广泛的应用。由于它的贴合性好,这种粘弹材料被做成人们感到更为舒适的床铺或床垫;由于它的低回弹性,它又被做成床枕。受伤不能活动的病人需乘坐轮椅或躺卧病床(特别是臀部受伤的病人),由于这种泡沫能重新分布体重和表面压力,所以就可以减少病人褥疮或溃疡的发生,这些疾病的发生都是由于皮肤与床、椅表面之间的局部受压引起的,这些压力不能通过人体的活动而缓解,那么血管就会受压,阻碍了血液循环,于是造成了皮肤组织的伤害   

    此外,粘弹PU泡沫还可以应用于通常的家庭器具(静止的或活动的)、办公室器具和汽车坐椅上。它还被用做运动器械、动力器具和各种鞋类的衬垫用材。粘弹泡沫已经在人体工程学的一些用途上得到了应用,如颈垫、背垫和大腿垫,以及计算机椅的扶手和靠垫。   

    粘弹PU泡沫可以起到免受冲击作用的保护功能,这在电子装置的特种封装、军用或民用飞机坐椅以及武器(如消除反冲作用)上都已得到了应用。   

    配方和工艺   

    当今,泡沫制造商和原材料供应商已经共同开发出一系列成功的粘弹PU泡沫制品,通过配方调节使泡沫的复原特性、回弹性和承载性已能满足各种用户的要求。   

    PU是一种由彼此发生热力学微相分离的硬分子链段和软分子链段构成的聚合物。粘弹PU泡沫正如形状记忆PU弹性体一样,其聚合物的结构特征是既含有固定相,又含有可逆相。前者可以具有物理交联结构(较高的硬段Tgh或Tmh),也可以具有化学交联结构。固定相的功能是记忆泡沫的原始形状和使泡沫恢复其原始形状,同时使泡沫具有所需要的承载性。可逆相是富大分子软段的无定形区,其功能是能使泡沫随温度的变化发生软化/硬化的可逆变化,即可以实现泡沫形状的改变,同时使泡沫具有所要求的回弹性。粘弹泡沫在PU软段Tgs(室温以上的一个小范围内)处,摸量变化可达100倍。通常认为,软段相中熔点高于室温的结晶区的存在或者软段高弹态/玻璃态转变Tgs的存在,以及作为物理交联点的硬段微区的形成或者化学交联点的存在,乃是粘弹PU泡沫聚合物结构的必要特征。由微相分离理论可知:通过控制硬段的主要组成成分—芳族二异氰酸酯和低分子量扩链剂的种类和用量,便可以控制物理交联点的多少和强弱,硬段含量增大,可使软段和硬段之间的相容性增大,微相分离程度降低,软段区Tgs升高,Tgs左右的摸量比降低,形状恢复的速度加快;随软段分子量(即多元醇分子量)的增大,Tgs下降,同时使形状恢复速度减缓。   

    根据形状记忆PU材料的研究可知:硬段的存在,会使软段结晶能力降低;软段结晶的必要条件是其分子量必须大于某一临界值;硬段含量必须高于一定值,才能形成完善的物理交联微区。在设计PU聚合物组成时,要以保证Tgs(或Tgm)前后摸量变化很大为着眼点。通常认为:软段的组成和分子量,决定了记忆温度(通常Tgs)的高低;硬段的结构则控制了形状记忆和形状复原的行为特征。   

    当然,粘弹泡沫的承载性、回弹性和形状复原速度,与弹性体不同,泡沫泡孔的尺寸大小及其分布、泡孔孔壁的厚薄、泡孔的开孔率都起到很重要的作用,所以,泡沫发泡系统和催化剂的选择和设计非常重要。   

    粘弹泡沫的性能对配方的变动特别敏感,所以,保证产品性能的一致性是制造工艺的一个难题。这就要求泡沫制造商和原材料制造商必须密切合作,通过对制造程序的严格控制,才能保证最终产品满足使用性能的要求。   

    粘弹PU泡沫的制造工艺与普通FPF的工艺大体一样,块状泡沫工艺或模塑工艺都可以采用。   

    工业切裁机(slitter)和锯床(saw)都可以用于粘弹PU泡沫的切割,然而,粘弹PU泡沫所采用的速度要比常规PU泡沫低得多,这是因为它具有缓慢复原的特性。此外,切割时的“哑铃”现象不像常规PU泡沫那么突出。   

    物理性能   

    (1)    密度   
    对常规PU泡沫来说,密度越高,则泡沫保持其使用性能的耐久性越好。粘弹PU泡沫也是这样。提高密度即增强了泡沫的耐久性和保持其物理性能的能力。在大多数家庭器具和床铺制品中,粘弹PU泡沫的密度大体落在32~96kg/m3这个范围内。   

    (2)    承载性   
    通常,粘弹PU泡沫的承载性可以从超软质(25%IFD值低于44.5N)到半硬质(25%IFD值高达533.8N)。降低表面受压的功能与承载性密切相关:IFD值低则泡沫的贴合性好,所以能使重量更有效地分散而减缓压力的作用;IFD值太低,泡沫则不足以起好支撑作用,制品发生“触底”现象,它的缓解压力的作用也就丧失了。   

    在进行IFD实验时,粘弹PU泡沫的承载性测量值会受到加载速度、温度和湿度的影响。进行实验前,试件的状态控制也是很重要的。   

    (3)    速度敏感性   
    粘弹PU泡沫的这种速度敏感性会影响IFD测量值的大小。如果压痕板落下的太快,泡沫就会以刚性来响应,相反,速度缓慢就会得到另外一个不同的IFD读数。所以,应注意压痕速度要合理,特别是,在进行实验室之间的结果比较时其条件一定要保持严格一致。   

    (4)    温度敏感性   
    粘弹PU泡沫的物理性能受温度的影响很大。即使室温发生轻微的变动,也会影响到承载性测量值和复原速度的大小。泡沫温度提高,泡沫变软,压缩速度和复原速度就会变大。但在较冷的条件下,泡沫变得承载性更强或显得刚性更强。所以,在表示泡沫的使用性能时,必须标示实验时的室温;在比较结果时,必须保证实验时的室温是严格一样的。   

    即使体温这样的加热,也能使粘弹PU泡沫变软。人们把模量在Tms或Tgs附近发生显著变化的现象叫做相变或松弛过程。如果相变或松弛发生在低温条件下,那么泡沫对体温的反应就会使泡沫承载性降低到它的支撑能力完全丧失;相反,如果相变或松弛是在较热的条件下才发生的,那么人体加热尚不足以使泡沫变软,泡沫显得刚硬,不具有缓解压力的功能。所以,对那些以减轻压力作用为主要功能的粘弹PU泡沫来说,谨慎地控制上述相变或松弛特性乃是最关键的。   

    (5)    湿度敏感性   

    粘弹PU泡沫不仅对温度是敏感的,而且对湿度也是敏感的。在潮湿的条件下,粘弹PU泡沫制品会变软。承载力的大小随室内湿度发生变化会使人们难以对物理性能作出一个精确的判断。   
粘弹PU泡沫与常规PU泡沫力学性能的比较   

    对FPF工业来说,粘弹PU泡沫技术代表了一项新的和令人振奋的成果。它正在占有多方面的市场,这种材料是一种性能有别于常规和高回弹PU泡沫的新型垫材。消费者对它的独特性能已经普遍接受和认可。人们正在进行的努力是改进对粘弹PU泡沫性能的控制,可以预计,这种泡沫必将在缓冲、压力分布和冲击吸收材料中得到越来越广泛的应用。  


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