POLY IP發泡體結構與性質之探討

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化學工程與材料工程學系

論文名稱

POLY IP發泡體結構與性質之探討
(Structure and properties study of POLY IP foam)

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摘要(中)

PU發泡體的密度大小通常決定何種用途的發泡體應被生產出來，它的應用範圍非常廣泛，而主要的應用範圍則是在於隔離(insulation)、包裝(packaging)和負荷力的承受(load-bearing) 。
基於對於PU發泡體的物理性質及形態產生極大興趣，因而改變化學成份、組成及加工方式，以獲得材料與結構上的關係，而了解這些關係的最終目的則是為了調整材料的組成以配合各式個樣的應用。
本實驗的重點則在於PU發泡體(foam)上，探討配方中各種變數對於發泡體性質及結構的影響，其中包括有硬度、拉力強度、延伸率、撕裂、平行撕裂、壓縮歪等性質。在合成上所採用的方法則是 One-shot process，將反應物分成兩個Streams，一個Stream為含有Diisocyanate的部份，所使用的diisocyanate為MDI；另一個Stream為含有Polyol的部份，所使用的polyol為polyisoprene，此stream除了polyol之外，也包含其他添加劑像是催化劑、鏈延長劑、發泡劑、發泡穩定劑和填料。因為機械強度的性質一般都跟發泡體的密度成比例，因此密度的變化是其中的變數之一，再針對配方中各個變數：硬段含量、水添加量、觸媒添加量、界面活性劑種類、filler添加量，予以改變，以討論各類變數對於發泡體性質及結構的影響，並觀查其變化的趨勢，以做為應用上的參考。另外為了解多種polyol混摻發泡情形，添加不同莫耳百分率的PTMO於POLY IP發泡體，也是實驗研究範圍。
實驗結果顯示，對於POLY IP發泡體泡孔粒徑大小的因素主要為整體密度、觸媒、水添加量、界面活性劑種類、界面活性劑添加量、填充料添加量及PTMO/POLY IP莫耳百分率。在其它配方及加工變數固定下，發泡體密度增加，會使拉伸、撕裂、平行撕裂、硬度及抗壓縮性質有顯著的提升；在其它配方及加工變數固定下，硬段含量增加，發泡體拉伸強度、撕裂強度、平行撕裂強度及硬度都有明顯增加的趨勢；在其他配方及加工變數固定下，觸媒添加量增加，發泡體的拉伸、撕裂、平行撕裂性質有先上升再下降的趨勢；在其他配方及加工變數固定下，水添加量增加，會提升發泡體平行撕裂、抗壓縮、硬度性質；在其他配方及加工變數固定下，不同界面活性劑種類，會影響發泡體的性質，這是由於不同的界面活性劑會改變泡孔中的支架的形狀及大小、泡孔壁厚度或泡孔大小分布，因而造成發泡體性質上的差異；在其他配方及加工變數固定下，SF-982界面活性量添加量增加，延伸度及抗壓縮性質會上升；在其他配方及加工變數固定下，填充料添加量增加，發泡體的拉伸、撕裂、平行撕裂、壓縮歪性質，有先上升再下降的趨勢；在其他配方及加工變數固定下，發泡體PTMO對POLY IP莫耳百分比增加，其拉伸、延伸率、撕裂、平行撕裂性質有顯著的提升，但壓縮性質反而不好；在其他配方及加工變數固定下，COE-210T界面活性劑添加量增加，會使PTMO/POLY IP莫耳百分比75%的發泡體，拉伸、撕裂、平行撕裂性質下降，壓縮歪值上升。

摘要(英)

The application of PU foam depends on the density. PU foam can apply on insulation,packaging and load-bering.
Because of bening intereasted in physical properties and structures of PU foam, the study of changing component and process to understand the relationship between materials and structure is the important point in the study.
The synthesis process of PU foam is one-shot process. This process is two component system. One stream is MDI, the other contains polyisoprene and additives like catalysts, chain extender, foaming agent, surfactant and filler. The variables of the experiment contains amount change of hard-segment, water, surfactant, catalyst, filler. The other two variables are change of density and mole fraction change of blending PTMO and polyisoprene. The test method of the foam contain tensile strength ,tear strength, split tear strength, hardness, compression set.
The density, the amount of catalyst, water, surfactant, filler, PTMO and different kind of surfactant can influence the size of the foam bubble.
The result of test shows the tensile, tear, split tear strength and hardness properties of the foam are more strong when increasing the density of the foam without changing other variables and process. The tensile, tear, split tear strength and hardness properties of the foam are more strong when increasing the hard-segment content of the foam without changing other variables and process. The tensile, tear, split tear strength properties of the foam show up first then down when increasing the amount of catalyst of the foam without changing other variables and process. Increasing the amount of water of the foam without changing other variables and process shows the split tear strength and hardness properties are more strong, but decreases the resistance to compression. Different kind of surfactant also can influence properties of the foam. Increasing the amount of surfactant of the foam without changing other variables and process shows that the elongation and resistance to compression of the foam can increase. The tensile, tear, split tear strength and compression set properties of the foam show up first then down when increasing the amount of filler of the foam without changing other variables and process. Increasing the amount of PTMO on the polyisoprene foam without changing other variables and process shows the tensile, tear, split tear strength and elongation properties of the foam are more strong, but resistance to compression decreases. The tensile, tear, split tear strength properties of the blending PTMO/POLY IP 75% mole fraction foam are less strong when increasing the amount of COE-210T surfactant without changing other variables and process.

關鍵字(中)

★ 發泡體
★ 泡孔

關鍵字(英)

★ poly ip
★ polyisoprene
★ foam

論文目次

目錄
摘要
目錄----------------------------------------Ⅰ
圖目錄--------------------------------------Ⅴ
表目錄--------------------------------------Ⅹ
第一章序論---------------------------------1
第二章文獻回顧-----------------------------3
2.1 單一步驟合成程序------------------------------3
2.2 配方組成--------------------------------------5
2.2.1 Polyol----------------------------------------5
2.2.2 Isocyanates-----------------------------------8
2.2.3 添加劑和輔助材料------------------------------9
2.2.3.1催化劑----------------------------------------10
2.2.3.2抑制劑----------------------------------------13
2.2.3.3鏈延長劑--------------------------------------13
2.2.3.4界面活性劑------------------------------------14
2.2.3.5發泡劑----------------------------------------19
2.2.3.6填充料----------------------------------------21
2.3密度------------------------------------------22
2.4混摻------------------------------------------23
2.5 發泡的原理-----------------------------------24
2.5.1 氣泡的形成-----------------------------------25
2.5.2 氣泡的成長-----------------------------------27
2.5.3 氣泡的穩定性---------------------------------28
2.6 結構對性質的影響-----------------------------30
2.6.1 基本影響因素---------------------------------30
2.6.1.1 分子量的影響---------------------------------30
2.6.1.2 分子間作用力的影響---------------------------31
2.6.1.3 鏈段單元的剛性-------------------------------31
2.6.1.4 結晶度---------------------------------------31
2.6.1.5 交聯度---------------------------------------32
2.6.2 配方變數對性質的影響-------------------------32
2.6.2.1 Polyol對性質的影響---------------------------32
2.6.2.2 Isocyanate對性質的影響-----------------------34
2.6.2.3 鏈延長劑對性質的影響-------------------------35
2.6.2.4 催化劑對性質的影響---------------------------38
2.6.2.5 界面活性劑對性質的影響-----------------------38
2.6.2.6 發泡劑對性質的影響---------------------------39
2.6.2.7填充料對性質的影響----------------------------41
第三章實驗部份----------------------------42
3.1 化學藥品-------------------------------------42
3.2 儀器設備-------------------------------------42
3.3 POLY IP發泡體的合成--------------------------43
3.3.1 反應物---------------------------------------43
3.3.2 合成步驟-------------------------------------43
3.4 PU發泡體試片的鑑定----------------------------44
3.4.1 硬度的量測-----------------------------------44
3.4.2 拉伸性質的量測-------------------------------44
3.4.3 撕裂性質的量測-------------------------------44
3.4.4 平行撕裂性質的量測---------------------------44
3.4.5 壓縮歪性質的量測-----------------------------45
3.4.6 收縮性質的量測-------------------------------45
3.4.7 泡孔粒徑的量測-------------------------------46
第四章結果與討論--------------------------47
4.1 探討的變因-----------------------------------47
4.2 泡孔粒徑的量測-------------------------------50
4.3 機械性質-----------------------------------74
4.3.1密度的影響------------------------------------74
4.3.2硬段含量的影響--------------------------------74
4.3.3 觸媒添加量的影響-----------------------------75
4.3.4 水添加量的影響-------------------------------75
4.3.5 界面活性劑種類的影響-------------------------76
4.3.6 界面活性劑添加量的影響-----------------------77
4.3.7 填充料添加量的影響---------------------------77
4.3.8 PTMO/POLY IP莫耳百分比的影響----------------78
4.3.9界面活性劑添加量的影響之二--------------------79
第五章結論-------------------------------124
參考文獻----------------------------------------128
圖目錄
圖2-1 The two component system------------------------------3
圖2-2 Typical reaction in urethane foam formation ---------4
圖2-3 Catalyst synergism -------------------------------11
圖2-4 不同結構的發泡穩定劑-------------------------------17
圖2-5 Polyethers：relationship between δ/Ιvalues and foam behavior(machine mix)at 25℃.----------------------18
圖2-6 Relationship between changes in gas concentration in solution and nucleation and growth of foam cells. --------------------------------------------------26
圖2-7 One-shot polyether urethane foam with silicone surfactant. Sequence taken through bottom of foam container(X9).------------------------------------28
圖2-8 Effect of water concentration on foam density.--------------40
圖 4-1整體密度對泡孔粒徑的影響---------------------------54
圖 4-2觸媒添加量對泡孔粒徑的影響-------------------------54
圖 4-3水添加量對泡孔粒徑的影響---------------------------55
圖 4-4水添加量對泡孔粒徑的影響---------------------------55
圖 4-5 SF-982界面活性劑添加量對於Poly IP發泡體泡孔粒徑的影響-------------------------------------------------------56
圖 4-6界面活性劑種類對於Poly IP發泡體泡孔粒徑的影響------56
圖 4-7填充料添加量對Poly IP發泡體泡孔粒徑的影響----------57
圖 4-8 PTMO/POLY IP莫耳百分率對泡孔粒徑的影響-----------57
圖 4-9 COE-210T界面活性劑添加量對混摻發泡體泡孔粒徑的影響---------------------------------------------------------58
圖4-10 在不同硬段含量下，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------64
圖4-11 在不同催化劑添加量下，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------65
圖4-12 在不同水的添加量下，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------66
圖4-13 在不同填充料的添加量下，OM所觀查到的氣孔結構
(放大倍率：X100)------------------------------------67
圖4-14 使用不同種類的界面活性劑，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------68
圖4-15在不同界面活性劑的添加量下，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------69
圖4-16在不同界面活性劑的添加量下，OM所觀查到的氣孔結構 (放大倍率：X100)------------------------------------70
圖4-17 在不同PTMO/POLY IP莫耳百分比OM所觀查到的氣孔結構
(放大倍率：X100)------------------------------------71
圖4-18 在不同密度下，OM所觀查到的氣孔結構
(放大倍率：X100)------------------------------------72
圖4-19 PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體，不同界面活性劑添加量OM所觀查到的氣孔結構(放大倍率：X100) ---------73
圖4-20 密度對POLY IP發泡體拉伸性質的影響----------------80
圖4-21 密度對POLY IP發泡體撕裂性質的影響---------------80
圖4-22 密度對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-----------81
圖4-23 密度對POLY IP發泡體硬度性質的影響---------------81
圖4-24 密度對POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響--------------82
圖4-25 硬段含量對POLY IP發泡體拉伸性質的影響------------82
圖4-26 硬段含量對POLY IP發泡體撕裂性質的影響------------83
圖4-27 硬段含量對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響--------83
圖4-28 硬段含量對POLY IP發泡體硬度性質的影響------------84
圖4-29 硬段含量對POLY IP發泡體斷裂延伸度的影響----------84
圖4-30 觸媒添加量對POLY IP發泡體拉伸性質的影響----------85
圖4-31 觸媒添加量對POLY IP發泡體撕裂性質的影響----------85
圖4-32 觸媒添加量對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響------86
圖4-33 觸媒添加量對POLY IP發泡體硬度的影響--------------86
圖4-34 水添加量對POLY IP發泡體拉伸性質的影響-----------87
圖4-35 水添加量對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------87
圖4-36 水添加量對POLY IP發泡體硬度的影響響-------------88
圖4-37 水添加量對POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響----------88
圖4-38 界面活性劑種類對POLY IP發泡體拉伸性質的影響------89
圖4-39 界面活性劑種類對POLY IP發泡體撕裂性質的影響-----89
圖4-40 界面活性劑種類對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響--90
圖4-41 界面活性劑種類對POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響---90
圖4-42 界面活性劑添加量對POLY IP發泡體拉伸性質的影響----91
圖4-43 界面活性劑添加量對POLY IP發泡體延伸度的影響-----91
圖4-44界面活性劑添加量對POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響—92
圖4-45 填充料添加量對POLY IP發泡體拉伸性質的影響-------92
圖4-46 填充料添加量對POLY IP發泡體撕裂性質的影響-------93
圖4-47 填充料添加量對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響---93
圖4-48 填充料添加量對POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響-----94
圖4-49 填充料添加量對POLY IP發泡體硬度的影響-----------94
圖4-50 PTMO/POLY IP莫耳百分比對POLY IP發泡體拉伸性質的影響-----------------------------------------------95
圖4-51 PTMO/POLY IP莫耳百分比對POLY IP發泡體撕裂性質的影響-----------------------------------------------95
圖4-52 PTMO/POLY IP莫耳百分比對POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------------------------------------------96
圖4-53 PTMO/POLY IP莫耳百分比對POLY IP發泡體壓縮歪的影響-------------------------------------------------96
圖4-54 COE-210T界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%的發泡體拉伸性質的影響-----------------------97
圖4-55 COE-210T界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%的發泡體撕裂性質的影響-----------------------97
圖4-56 COE-210T界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%的發泡體平行撕裂性質的影響-------------------98
表目錄
表2-1 Properties of typical polyesters ------------------6
表2-2 Properties of typical polyethers -------------------8
表2-3 Physical properties of diisocyanates ---------------9
表2-4 表2-4 Structure features of commercially important PU catalyst ------------------------------------------11
表2-5 Relative activity as a function of concentration and synergism typical commercially used catalysts -------12
表2-6 Properties of typical PBAs --------------------------20
表2-7 Some fillers and their application in polyurethanes --------------------------------------------------22
表2-8 Molecular weight influence on the physical properties of polyethylene adipate based elastomer(with NDI) ------33
表2-9 Effect of polyester blends on urethane elastomer properties(1,5-Naphthalene Diisocyanate Based elastomer) ----------------------------------------33
表2-10 Effect of polyester blends on urethane elastomer properties(1,5-Naphthalene diisocyanate based elastomer) ----------------------------------------34
表2-11 Effect of diisocyanate on polyurethane elastomer properties ---------------------------------------35
表2-12 One-shot polyether urethane flexible foams: Effect of catalyst -----------------------------------------35
表2-13 Structure effect of aromatic amine extenders on the properties of polyurethane elastomers-------------37
表2-14 Influence of diol chain extender on elastomer properties---------------------------------------38
表4-1 硬段含量對於泡孔粒徑的影響-------------------------59
表4-2 觸媒添加量對於泡孔粒徑的影響-----------------------59
表4-3 水的添加量對於泡孔粒徑的影響-----------------------59
表4-4 界面活性劑種類對於泡孔粒徑的影響-------------------60
表4-5 界面活性劑添加量對於泡孔粒徑的影響-----------------60
表4-6 填充料添加量對於PU發泡體中心位置泡孔粒徑的影響----61
表4-7 PTMO/POLY IP莫耳百分率對泡孔粒徑的影響-----------61
表4-8整體密度對泡孔粒徑的影響---------------------------62
表4-9硬段含量對泡孔粒徑的影響---------------------------62
表4-10水添加量對泡孔粒徑的影響--------------------------62
表4-11 COE-210T界面活性劑對泡孔粒徑的影響---------------63
表4-12硬段含量對於PU發泡體拉伸性質的影響---------------90
表4-13硬段含量對於PU發泡體撕裂性質的影響---------------90
表4-14硬段含量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------91
表4-15硬段含量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響---------91
表4-16硬段含量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響-----------92
表4-17觸媒添加量對於Poly IP發泡體拉伸性質的影響----------92
表4-18觸媒添加量對於Poly IP發泡體撕裂性質的影響----------93
表4-19觸媒添加量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-----93
表4-20觸媒添加量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響-------94
表4-21觸媒添加量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響---------94
表4-22水添加量對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響----------95
表4-23水添加量對於PU發泡體撕裂性質的影響---------------95
表4-24水添加量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------95
表4-25水添加量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響--------96
表4-26水添加量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響----------96
表4-27界面活性劑添加量對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響---96
表4-28界面活性劑添加量對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響---97
表4-29界面活性劑添加量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響--------------------------------------------------97
表4-30界面活性劑添加量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響-98
表4-31界面活性劑添加量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響---98
表4-32填充料添加量對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響------99
表4-33填充料添加量對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響------99
表4-34填充料添加量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響--100
表4-35填充料添加量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響----100
表4-36填充料添加量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響------100
表4-37界面活性劑種類對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響----101
表4-38界面活性劑種類對於PU發泡體撕裂性質的影響--------101
表4-39界面活性劑種類對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------------------------------------------------102
表4-40界面活性劑種類對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響--102
表4-41界面活性劑種類對於POLY IP發泡體壓硬度性質的影響--103
表4-42混摻PTMO對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響-------103
表4-43混摻PTMO對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響-------104
表4-44混摻PTMO對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響---104
表4-45混摻PTMO對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響-----105
表4-46混摻PTMO對於POLY IP發泡體硬度性質的影響-------105
表4-47 POLY IP / PTMO =1/3整體密度對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響-----------------------------------------106
表4-48 POLY IP / PTMO =1/3整體密度對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響-----------------------------------------106
表4-49 POLY IP / PTMO =1/3整體密度對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-------------------------------------107
表4-50 POLY IP / PTMO =1/3整體密度對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響---------------------------------------107
表4-51 POLY IP / PTMO =1/3整體密度對於POLY IP發泡體硬度性質的影響-----------------------------------------108
表4-52 硬段含量對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響--------108
表4-53 硬段含量對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響---------108
表4-54 硬段含量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響-----109
表4-55 硬段含量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響-------109
表4-56 硬段含量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響---------110
表4-57水添加量對於POLY IP發泡體拉伸性質的影響---------110
表4-58水添加量對於POLY IP發泡體撕裂性質的影響---------111
表4-59水添加量對於POLY IP發泡體平行撕裂性質的影響------111
表4-60水添加量對於POLY IP發泡體壓縮歪性質的影響--------121
表4-61 水添加量對於POLY IP發泡體硬度性質的影響---------121
表4-62 COE-210T界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體拉伸性質的影響--------------------------122
表4-63 COE-210T界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體撕裂性質的影響--------------------------122
表4-64界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體平行撕裂性質的影響-------------------------------122
表4-65界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體壓縮歪性質的影響---------------------------------123
表4-66界面活性劑添加量對PTMO/POLY IP莫耳百分比75%發泡體硬度性質的影響-----------------------------------123

參考文獻

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指導教授

陳登科(Teng-Ko Chen)

審核日期

2002-7-8

推文