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高性能自動車用手すり向けポリウレタン半硬質フォームの製造方法と特性。

車内のアームレストは、ドアの開閉や乗員の腕の支えといった役割を果たす、運転席の重要な部分です。緊急時、車とアームレストが衝突した場合、ポリウレタン製のソフトハンドレールや、改質PP(ポリプロピレン)、ABS(ポリアクリロニトリル・ブタジエン・スチレン)などの硬質プラスチック製ハンドレールは、優れた弾力性と緩衝性を発揮し、怪我を軽減します。ポリウレタン製のソフトフォームハンドレールは、優れた手触りと美しい表面質感を提供し、コックピットの快適性と美しさを向上させます。そのため、自動車産業の発展と内装材に対する人々の要求の高まりに伴い、自動車用ハンドレールにおけるポリウレタン製ソフトフォームの利点はますます顕著になっています。

ポリウレタン製ソフトハンドレールには、高反発フォーム、自己被覆フォーム、半硬質フォームの3種類があります。高反発ハンドレールは、外面がPVC(ポリ塩化ビニル)スキンで覆われ、内部はポリウレタン高反発フォームです。フォームの支持力が比較的弱く、強度も比較的低く、フォームとスキン間の接着力も比較的不十分です。自己被覆ハンドレールは、フォームコア層がスキンで覆われており、低コストで一体度が高く、商用車に広く使用されていますが、表面の強度と全体的な快適性を考慮することが困難です。半硬質アームレストはPVCスキンで覆われており、スキンは触感と外観が良好で、内部の半硬質フォームは優れた感触、耐衝撃性、エネルギー吸収性、耐老化性を備えているため、乗用車の内装にますます広く使用されています。

本論文では、自動車用手すり用のポリウレタン半硬質フォームの基本配合を設計し、それを基に改良について研究する。

実験セクション

主な原材料

ポリエーテルポリオールA(水酸基価30~40mg/g)、ポリマーポリオールB(水酸基価25~30mg/g):万華化学グループ株式会社。変性MDI[ジフェニルメタンジイソシアネート、w(NCO)は25%~30%]、複合触媒、湿潤分散剤(剤3)、酸化防止剤A:万華化学(北京)株式会社、麦頭ほか。湿潤分散剤(剤1)、湿潤分散剤(剤2):バイクケ化学。上記の原材料は工業用グレードです。PVCライニングスキン:常熟瑞華。

主な機器と計測器

Sdf-400型高速ミキサー、AR3202CN型電子天秤、アルミ型(10cm×10cm×1cm、10cm×10cm×5cm)、101-4AB型電気送風オーブン、KJ-1065型電子式万能張力試験機、501A型スーパーサーモスタット。

基本処方とサンプルの準備

半硬質ポリウレタンフォームの基本的な組成を表1に示す。

機械的特性試験サンプルの作製:設計式に従って複合ポリエーテル(A材料)を作製し、一定の割合で改質MDIと混合し、高速攪拌装置(3000回転/分)で3~5秒間攪拌した後、対応する金型に流し込んで発泡させ、一定時間内に金型を開けて半硬質ポリウレタンフォーム成形サンプルを得た。

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接着性能試験用サンプルの準備:PVCスキン層を金型の下型に置き、ポリエーテルと変性MDIを所定の比率で混合し、高速攪拌装置(3,000回転/分)で3~5秒間攪拌した後、スキンの表面に流し込み、金型を閉じ、一定時間内にスキン付きポリウレタンフォームを成形する。

性能テスト

機械的特性:ISO-3386規格試験による圧縮硬度40%CLD;引張強度および破断伸度はISO-1798規格に従って試験;引裂強度はISO-8067規格に従って試験。接着性能:OEM規格に従って、電子式万能引張試験機を使用してスキンとフォームを180°剥離します。

経年劣化性能:OEMの標準温度に従い、120℃で24時間経年劣化させた後の機械的特性および接着特性の低下を試験する。

結果と考察

機械的特性

表2に示すように、基本配合におけるポリエーテルポリオールAとポリマーポリオールBの比率を変えることにより、異なるポリエーテル添加量が半硬質ポリウレタンフォームの機械的特性に及ぼす影響を調べた。

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表2の結果から、ポリエーテルポリオールAとポリマーポリオールBの比率がポリウレタンフォームの機械的特性に大きな影響を与えることがわかる。ポリエーテルポリオールAとポリマーポリオールBの比率が増加すると、破断伸度は増加し、圧縮硬度はある程度低下し、引張強度と引裂強度はほとんど変化しない。ポリウレタンの分子鎖は主にソフトセグメントとハードセグメントから構成され、ソフトセグメントはポリオール由来、ハードセグメントはカルバメート結合由来である。一方では、2つのポリオールの相対分子量と水酸基価が異なり、他方では、ポリマーポリオールBはアクリロニトリルとスチレンで変性されたポリエーテルポリオールであり、ベンゼン環の存在により鎖セグメントの剛性が向上しているが、ポリマーポリオールBには低分子物質が含まれており、フォームの脆性が増加している。ポリエーテルポリオールAが80部、ポリマーポリオールBが10部の場合、フォームの総合的な機械的特性が優れている。

結合特性

手すりは、頻繁に圧力がかかる製品であるため、発泡体と表面材が剥がれると、部品の快適性が著しく低下します。そのため、ポリウレタンフォームと表面材の接着性能が求められます。上記の研究に基づき、異なる湿潤分散剤を添加して、発泡体と表面材の接着特性を試験しました。結果を表3に示します。

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表 3 から、異なる湿潤分散剤がフォームと皮膚間の剥離力に明らかな影響を与えることがわかります。添加剤 2 を使用した後にフォームが崩壊しますが、これは添加剤 2 の添加後にフォームが過度に開いたことが原因である可能性があります。添加剤 1 と 3 を使用した後、ブランク サンプルの剥離強度は一定に増加し、添加剤 1 の剥離強度はブランク サンプルの剥離強度より約 17% 高く、添加剤 3 の剥離強度はブランク サンプルの剥離強度より約 25% 高くなっています。添加剤 1 と添加剤 3 の違いは、主に表面の複合材料の濡れ性の違いによるものです。一般的に、固体上の液体の濡れ性を評価するには、接触角が表面の濡れ性を測定する重要なパラメータです。したがって、上記の 2 つの湿潤分散剤を添加した後の複合材料と皮膚間の接触角を測定し、その結果を図 1 に示しました。

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図1から、ブランクサンプルの接触角が27°と最も大きく、補助剤3の接触角がわずか12°と最も小さいことがわかる。これは、添加剤3を使用することで複合材料と皮膚の濡れ性が大幅に向上し、皮膚表面に広がりやすくなるため、添加剤3を使用した場合に最も強い剥離力が得られることを示している。

老朽化した不動産

手すり製品は車内でプレスされ、日光にさらされる頻度が高いため、ポリウレタン半硬質手すりフォームにとって、経年劣化性能は考慮すべき重要な性能の一つです。そこで、基本配合の経年劣化性能を試験し、改良研究を実施しました。その結果を表4に示します。

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表4のデータを比較すると、基本処方の機械的特性と結合特性は120℃での熱老化後に著しく低下することがわかります。12時間老化後、密度(以下同様)を除く各種特性の損失は13%~16%です。24時間老化後の性能損失は23%~26%です。基本処方の熱老化特性は良好ではなく、処方にAクラスの抗酸化剤Aを添加することで、元の処方の熱老化特性が明らかに改善されることが示されています。抗酸化剤Aを添加した後、同じ実験条件下で、12時間後の各種特性の損失は7%~8%、24時間後の各種特性の損失は13%~16%でした。機械的特性の低下は主に、熱老化プロセス中に化学結合の切断と活性フリーラジカルによって引き起こされる一連の連鎖反応によるものであり、元の物質の構造または特性に根本的な変化をもたらします。接着性能の低下は、一方では発泡体自体の機械的特性の低下によるものであり、他方では、PVCスキンに多量の可塑剤が含まれており、熱酸化劣化の過程で可塑剤が表面に移動するためである。酸化防止剤を添加することで熱劣化特性を改善できるが、これは主に酸化防止剤が新たに生成されたフリーラジカルを除去し、ポリマーの酸化プロセスを遅延または抑制することで、ポリマー本来の特性を維持できるためである。

総合的なパフォーマンス

上記の結果に基づき、最適な配合を設計し、その様々な特性を評価した。この配合の性能を、一般的なポリウレタン高反発手すりフォームの性能と比較した。結果を表5に示す。

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表5からわかるように、最適な半硬質ポリウレタンフォーム配合の性能は、基本配合や一般的な配合に比べて一定の利点があり、より実用的で、高性能手すりの用途により適しています。

結論

ポリエーテルの量を調整し、適切な湿潤分散剤と酸化防止剤を選択することで、半硬質ポリウレタンフォームに優れた機械的特性、優れた耐熱老化性などを付与できます。このフォームの優れた性能に基づき、この高性能ポリウレタン半硬質フォーム製品は、手すりや計器盤などの自動車用緩衝材として応用できます。


投稿日時:2024年7月25日

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