聚氨酯仿木材料简介

henry

聚氨酯仿木材料

1合成木材的现实意义

木材的用途广泛，但近年来，由于森林资源的过度开采，造成了生态环境恶化和水土流失，所以一些国家控制天然林业资源的开发，制止滥砍滥伐。近年来，仿木材料已经成为研究和开发的一个新领域。在木材的许多传统应用领域，例如木质家具，门窗，电器外壳，木盆，雕刻装饰器件，镜框等，塑料，金属材料和仿木材料已经部分替代了木材。大多数合成木材可钉，可刨，可锯，且外观，手感，密度和木材类似，还有防潮，防虫蛀，阻燃，无需油漆等优于木材的特点。

用于合成木材的原料有很多种，一般用无机或有机填料与粘合剂模压制造。用于仿木材料的树脂，常见的树脂有聚氯乙烯，聚酯，聚氨酯，聚苯乙烯，ABS等，有机填料有天然纤维（稻草，秸秆与其它秆类，草类，麻类，竹丝等农副产品粉碎物。）无机填料有硫酸钙，石粉等。推广以塑代木，特别是以废变宝，综合利用，可节省木材，保护资源和环境。

有少数仿木材料是高密度的混凝土，钢铁等，只是通过涂装或者模制工艺，使之外表具有木纹或树皮结构，作为装饰材料或栏杆等，不是真正意义上的合成木材，多数仿木材料可具有类似天然木材的密度，表面纹理，这些仿木材料大多具有微孔结构，例如微孔聚氯乙烯，微孔聚氨酯硬质泡沫塑料，有类似木材细胞结构，可代替天然木材使用。

聚氨酯结构泡沫塑料是非功过20世纪70年代中期发展起来的一种中高密度微孔材料。由于它具有很高的刚性和机械强度。成型工艺简单，生产效率高，制品外形美观，可替代木材用作各类高档制品，深受用户的欢迎，所以近期内10年我国聚氨酯仿木材料在家具工业，装饰工程等行业中发展迅速。

2聚氨酯仿木材料的性能和用途

2.1聚氨酯仿木材料的性能特点

聚氨酯仿木材料，或者聚氨酯合成木材，从聚氨酯材料学科的角度来说，是一类中高密度的结构性硬质聚氨酯泡沫塑料（简称聚氨酯硬泡）。它具有微细泡孔结构，具有比常规保温用硬质聚氨酯泡沫塑料高得多的密度，密度通常高于0,2g/cm3(200kg/m3)，特殊的仿木材料密度也可低于这个值：大多数用于合成木材的聚氨酯结构泡沫塑料，具有致密坚韧的表皮，属于整皮（或称自结皮）硬质泡沫塑料，致密的表皮使这种合成材料不仅具有木材的外观和密度范围，而且强度较高，不易擦伤，而制件的芯部可做到较低的密度，舅此可减轻制件重量，同时具有较高的整体强度：具有较高的抗压强度，拉伸强度，抗冲击强度和弯曲强度，密度300——600kg/m3的聚氨酯泡沫塑料仿木材料，拉伸强度一般在6——25Mpa，弯曲强度8——80MPA，冲击强度8——20KJ/M，压缩强度5——20MPA；当然，由于聚氨酯泡沫塑料的发泡方向强度的各向异性，大型制品内部泡沫芯的纵向和横向的强度不同，不过整皮硬泡制品的坚硬表皮可消除这些差异；较低密度的聚氨酯仿木材料具有聚氨酯硬泡的高隔热性能优点；用于高承载场合的聚氨酯仿木材料，为了获得较高强度，除适当提高密度外，还可以用玻璃纤维或天然纤维等进行增强，使得弯曲强度成倍提高；硬质聚氨酯泡沫塑料具有闭孔的泡孔结构，透气性差，吸水率比较低，有研究表明密度0.5G/CM3的高密度聚氨酯硬质泡沫塑料（150MM*150MM*40MM）的体积吸水率和质量吸水率分别为0.93%和1.89%，然而木材吸水率较高，吸水后强度明显下降。

  聚氨酯仿木材料与然木材相比明显的优点是可以通过模具设计，模塑成型批量生产各种形状，特别是具有雕刻花纹图案的仿木雕制品，形态逼真，制品的重复模塑性能极为优良，成型工艺简单，省时高效；外观与性能与木材相近，强度可比天然木材高，密度可比天然木材低，可刨，锯，钉，钻；耐酸碱性和防腐性能优良，另外在制造聚氨酯仿木材料时一般需要添加阻燃剂，材料具有阻燃性能，还有防虫蛀；若制造时添加所需颜色的色浆，制得地仿木材可无须油漆。

  2.2聚氨酯仿木的应用

     仿木材料属于聚氨酯结构硬泡，可根据密度区分三大类制品：制品密度在150——400kg/m3的多用于非承重型装饰材料，如建筑上的仿木雕装饰条，装饰板罗马柱雕刻画等工艺品，密度在400——600kg/M3的承重型结构合成木材类，可用于制造桌椅，工业支架橱柜，沙发腿，油画框，镜框，门，窗，花盆，卫生间器具等。密度在大于600kg/m3整皮硬泡以及中高密度增强硬泡材料，可用于制造汽车门板，蓄电池箱，行李箱盖，铁道枕木，家电外壳，滑雪板。雪橇，高尔夫球杆等。

  例如，聚氨酯仿木管托与常规木托产品相比具有吸水率低，隔热性能低，阻燃性能好，不易腐烂，成本低的优点，并且接缝紧密美观，从根本上解决了管托与管道保温主材一体化的问题，简化了安装工艺，北京建工集团安装机电公司等单位生产的仿木管托，自2000年以用于供热系统，输油聚氨酯保温管道的支护。

3聚氨酯仿木材料的原料体系以及制造工工艺

  3.1原料体系及其原料对性能的影响

     仿木材料是一种中高密度聚氨酯硬泡,这种聚氨酯结构硬泡和普通聚氨酯硬泡一样,是双组分原料体系.其中组合聚醚组分(白料)同样是以多官能度,高羟值的聚醚多元醇为主,并配有催化剂,发泡剂,匀泡剂,阻燃剂等助剂,异氰酸酯组分一般是粗MDI即PAPIA(多亚甲基多苯基多异氰酸酯)或者含有改性MDI的粗MDI,官能度以2.5左右较为适宜.

3.1.1聚醚多元醇

    合聚醚预混料中，聚醚多元醇是主原料之一，它不仅影响组合聚醚的粘度等参数和发泡工艺，而且影响制品的物理性能，通常，在一定范围内，聚醚多元醇的平均官能度越高，所制得的聚合物交联度越大，制品的机械性能和耐热性能越高。但高官能度聚醚多元醇粘度大，组合聚醚粘度大，发泡料流动性等工艺性能差，可能引起注模不均匀和制件缺陷。因此在仿木硬泡原料体系，一般在高官能度聚醚多元醇中掺入部分低粘度的低官能度聚醚多元（如聚醚二醇或聚醚三醇），它们的比例调整在一定的范围，以高官能度聚醚多元醇为主，聚醚多元醇的平均官能度可控制在世界上3.5-4范围,以使得组合聚醚即有良好的流动性,硬泡制品具有良好的性能,若低官能度聚醚用量过大,制得的硬泡压缩强度会降低,泡沫的后固化时间也将明显增长,当然,为了改善因添加低官能度聚醚造成的性能下降,提高硬度,也可以加入低分子量多元醇或者胺类扩链剂,其加入量应控制在此10%以下,也有报道采用特制的具有较低粘度的单种聚醚多元醇制备聚氨酯仿木材料.

3.1.2发泡剂

聚氨酯发泡过程中手忙所用的发泡剂可以分为物理发泡剂和化学发泡剂剂两大类,物理发泡剂是低沸点化合物,如CFC-11.HCFC-141B.环戊烷，化学发泡剂一般是水，对于仿木物品，导热系数不是考虑因数，不使用物理发泡剂，仅用水发泡也能制得高密度硬泡，但也需控制聚醚多元醇等所带入的水份，水含量过高引起制品密度降低，强度降低，并且可能因为水与异氰酸酯反应放热不易控制而引起泡沫烧芯和开裂。并且单独用水作发泡剂，在制品的表皮出现泡孔和孔洞，模塑制件没有明显的密度梯度，表皮强度较低，实用性较差。所以一般控制水份在较低的水平，例如0.15%左右，另外添加低沸点的物理发泡剂。

   发泡剂（包括水）的用量宜根据制品听密度要求，是否需要致密的表皮进行调整，通过模塑发泡试验决定。

   添加物理发泡剂的优点，降低组合聚醚的粘度，提高发泡料的流动性，调整和控制泡沫制品的密度和性能。形成致密的表皮。制造自结皮或者整皮硬泡原理是：在密闭模腔内成型时泡沫放热反应使物料温度升高，但靠近模具的物料温度较低，以及低沸点发泡剂压力效应而冷凝，使得表皮没有泡孔，靠近表皮的泡沫塑料也极其微细，密度较高，因而形成芯密度低到表皮密度高的密度梯度。这对生产承载的以及光滑表面的仿木材料特别重要。

   CFC-11因为损伤臭氧层而逐渐被禁用，目前可用HCFC-141B，环戊烷以及复配的低沸点发泡剂生产整皮仿木聚氨酯硬泡。

当然也可不用物理发泡剂生产仿木硬泡，例如日本专利特开平8-41154以及特开平8-12880介绍，采用全水发泡制造仿木材聚氨酯硬泡，每100份聚醚使用0.8份水，且用1——50份二氧化钛或者1-10份的微细木粉作填料，硬泡制品具有良好均匀的外观。在其表面可用丙烯酸聚氨酯涂料进行涂装，得到仿木材料。而不用填表料填料制得的硬泡表面不均匀。

3.1.3催化剂

  在聚氨酯泡沫塑料生产中，催化剂的选择和添加是十分重要的,选择不同催化剂品种和数量可有效调节物料的流动,发泡和凝胶过程.虽然对于高密度硬泡,催化剂调节发泡反应的平衡不如低密度硬度重要,但对于仿木制品的模塑生产来说,应选择反应速度适中,乳白时间长,后期固化速度快的催化剂,即使得发泡时物料具有较强的流动能力,又能在充模后快速固化,具有较短的脱模时间,提高生产效率，一般采用复合延迟性胺类催化剂。

3.14阻燃剂

  作为家具，装饰品等制品的合成木材，使用阻燃剂以获得良好的阻燃性能。固态粉末状阻燃剂与组合聚醚的相容性较差，使得物料的粘度大幅度增加，并且对高压发泡机计量泵等有一定的磨损作用，较少使用。液态磷系阻燃剂包括卤代磷酸酯阻燃剂等聚氨酯泡沫常用的阻燃剂都可以用，以含磷量较高的甲基膦酸二甲酯（DMMP）阻燃效果最好，添加量在4.5%——5.0%即可使氧指数达到了26以上。低粘度液态阻燃剂可明显降低组合聚醚的粘度。但同时对制品具有增塑效果，过量使用非但阻燃性能没有明显有继续改善，而且降低材料的硬度和强度。可利用不同阻燃剂之间的协同效应，复配使用两种或两种以上的阻燃剂。也可有机液态阻燃剂与无机粉末阻燃剂并用，降低成本，并使制品获得低烟，高阻燃性能。青岛联美化工公司推出仿木家具，结构泡沫专用阻燃剂FR——708，为无色低粘度液体，据称特别适用于聚氨酯高密度的仿木制品中，与聚醚多元醇具有良好的相容性，尤其适合于家具中结构复以及雕刻花纹的模具充填：每100份添加8——15份的FR-708就可达到不同阻燃等级的要求。不少含卤阻燃剂在组合聚醚中遇碱性胺类催化剂会缓慢水，影响组合料的储存稳定性，使用时必须注意。

3.1.5匀泡剂及其它助剂

目前使用的硬泡匀泡剂既泡沫稳定剂是聚醚与聚硅氧烷的共聚物，产品种类牌号多。不少匀泡剂可用于高密度硬泡生产。匀泡剂不仅起调节泡沫孔径的大小，还在组合聚醚预混合和发泡反应过程起混合乳化作用，提高组合聚醚与异氰酸酯的相容性，使物料更加均匀，改善流动性。能有效消除泡沫表面的针孔现象，提高制品的成品率。用量一般在1.5%——2.0%。

有些仿木产品可在原料中加入色浆，这样就免去制品后涂装工序。并且在模塑制品时，若使用有机硅脱模剂，成品需对表面进行清理，去除有机硅膜后方可涂装，比较费事。

为了防止防木材料的老化和变色，可加入防老化剂和光稳定剂。

另外为了获得更高强度，可以使用玻璃纤维等材料制造增强结构泡沫，使仿木产品具有较高的承载性能。

3.2制造工艺以及注意事项

3.2.1物料粘度

  仿木材料一般采用模塑成型工艺生产，有的采用反应成型（RIM）或反应注射成型（RRIM）工艺生产，物料的流动性比较重要。一般来说，物料粘度越低流动性越好，易充模。异氰酸酯组份粘度一般在500mpa.s以下：组合聚醚组分粘度一般小于1000mpa.s，以低于500mpa.s为宜。两组分粘度不能相差太大，否则用机器发泡配比出现偏差，而且物料混合不一定很均匀。

3.2.2整皮发泡

  通常自由发泡的泡沫密度比模塑发泡的密度要低，聚氨酯泡沫塑料若采用物理发泡剂，并且由于模具温度比反应物料温度低，模具限制泡沫的过分膨胀使得模腔内存在一定的压力，因此表皮到芯存在由高到低的密度梯度。若有意增加充填系数，并且调节发泡剂的用量和模具温度，则制得表面光滑致密的整皮泡沫塑料。聚氨酯仿木材料，大多采用这种整皮发泡技术。整皮硬泡具有较高密度的坚硬表皮层和低密度泡沫芯。对于相同的原料，充填系数越高，则表皮以及附近的密度越高，形成较厚的硬表皮层，表面致密，总体密度较高，材料的强度也较高。在实际生产中，应根据制品用途，密度要求，来选择物料充填系数。对普通低密度装饰性制品，充填系数可在2——2.5之间。而对于有一定强度要求的中高密度制品，充填系数选择在2.5——3之间，而对于承载系数要求较高的制品，充填系数选择3——4之间，但充填系数不能太高，否则发泡压力过大。对模具耐压要求很高。

3.2.3浇注发泡工艺和模具

  聚氨酯泡沫塑料低压发泡机和高压发泡机都可用于仿木材料的生产。首先，物料必须混合均匀，对于手工发泡试验和低压发泡生产，搅拌速度必须足够高，对于 高压机，必须达到一定的注射压力使物料迅速冲击混合均匀。需在物料开始乳白之前注入模具。料温影响乳白时间，凝胶时间等发泡参数，也影响物料流动性，必须稳定控制；模温也影响发泡参数，并且还影响制品的表皮质量以及表皮厚度，较低而适宜的模温可减少制品表面的不规则气泡。得到光滑无泡孔的壳层。

  对于大型制品采用敞模浇注生产，使用移动式混合头，首先浇灌花纹图案复杂，形腔较深的部位。尽量减少物料流动距离，又能够充满模具。小型制品则应采取闭模浇灌的方式，可采用高压发泡机RIM工艺生产。

模具的设计应符合聚氨酯泡沫塑料制品的一般原则，如模具需有足够的耐压性能，表面光洁，设计脱模斜度和圆角，避免料流死角，设置位置和大小合理的排气孔等。对于生产仿木雕花家具，床头部件，尤其是些华贵典雅的的工艺装饰品一般不使用金属模具，因为金属模具笨重，操作不便，而且表面效果较差，制作更新模具费用高，耗时长。树脂模具具备翻模速度快，工艺简单翻模木纹纹理清晰，图案逼真的特点，能很好的适应市场需要，有利于及时推出新产品。根据实际经验，制作花纹细腻模具的材料最好是硅树脂，环氧树脂材质的模具也可。利用硅树脂模具生产仿木材料，成型好，还无需喷施脱模剂。

若采用增强材料生产特殊仿木制品，可按照增强反应注射成型工艺执行。既可预先把玻璃纤维毡放入模具中，也可添加短玻璃纤维或者其它增强材料。需注意添加增强填料降低物料的流动性，以保证产品的成率。

4结束语

聚氨酯仿木材料是一类具有优良性能的合成木材。因为聚氨酯材料原料和配方组合的多样性，所以仿木材也可根据具体用途进行性能的设计调整，聚氨酯结构硬泡可从液态原料模制成型一些凹凸形状的仿木制件，可批量生产仿木雕刻产品，成型工艺简单，生产效率比真木雕制品高得多。还可用玻璃纤维等增强，制成高性能复合仿木材料，推广使用这类仿木材料，不仅可得到美观实用的工艺品，工业和民用制品。同时可达到节省木材，保护森林和生态环境的目的。