Chế tạo và đặc tính của bọt polyurethane bán cứng dùng cho tay vịn ô tô hiệu suất cao.
Tay vịn trong nội thất xe hơi là một bộ phận quan trọng của cabin, đóng vai trò hỗ trợ đẩy và kéo cửa, cũng như đặt tay cho người ngồi trong xe. Trong trường hợp khẩn cấp, khi xe va chạm với tay vịn, tay vịn mềm bằng polyurethane và các loại tay vịn bằng nhựa cứng như PP (polypropylene), ABS (polyacrylonitrile - butadiene - styrene) có thể cung cấp độ đàn hồi và khả năng giảm chấn tốt, từ đó giảm thiểu thương tích. Tay vịn bằng bọt polyurethane mềm có thể mang lại cảm giác cầm nắm tốt và bề mặt đẹp, từ đó nâng cao sự thoải mái và tính thẩm mỹ của cabin. Do đó, với sự phát triển của ngành công nghiệp ô tô và sự nâng cao yêu cầu của người tiêu dùng đối với vật liệu nội thất, ưu điểm của bọt polyurethane mềm trong tay vịn ô tô ngày càng trở nên rõ rệt.
Có ba loại tay vịn mềm bằng polyurethane: loại xốp đàn hồi cao, loại xốp tự bọc và loại xốp bán cứng. Bề mặt ngoài của tay vịn loại xốp đàn hồi cao được phủ một lớp PVC (polyvinyl clorua), còn bên trong là lớp xốp polyurethane đàn hồi cao. Khả năng chịu lực của lớp xốp tương đối yếu, độ bền tương đối thấp, và độ bám dính giữa xốp và lớp phủ tương đối kém. Tay vịn loại tự bọc có lớp lõi xốp, giá thành thấp, độ tích hợp cao, được sử dụng rộng rãi trong xe thương mại, nhưng khó đảm bảo cả độ bền bề mặt và sự thoải mái tổng thể. Tay vịn bán cứng được phủ một lớp PVC, lớp phủ này mang lại cảm giác chạm và vẻ ngoài tốt, lớp xốp bán cứng bên trong có độ đàn hồi cao, khả năng chống va đập, hấp thụ năng lượng và chống lão hóa tuyệt vời, vì vậy nó ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nội thất xe khách.
Bài báo này thiết kế công thức cơ bản của bọt polyurethane bán cứng dùng cho tay vịn ô tô và nghiên cứu việc cải tiến sản phẩm dựa trên cơ sở đó.
Phần thí nghiệm
Nguyên liệu chính
Polyol polyete A (chỉ số hydroxyl 30 ~ 40 mg/g), polyol polyme B (chỉ số hydroxyl 25 ~ 30 mg/g): Công ty TNHH Tập đoàn Hóa chất Wanhua. MDI biến tính [diphenylmethane diisocyanate, w (NCO) là 25%~30%], chất xúc tác hỗn hợp, chất phân tán làm ướt (Chất 3), chất chống oxy hóa A: Công ty TNHH Hóa chất Wanhua (Bắc Kinh), Maitou, v.v.; Chất phân tán làm ướt (Chất 1), chất phân tán làm ướt (Chất 2): Công ty Hóa chất Byke. Các nguyên liệu thô trên đều là loại công nghiệp. Lớp lót PVC: Changshu Ruihua.
Trang thiết bị và dụng cụ chính
Máy trộn tốc độ cao loại Sdf-400, cân điện tử loại AR3202CN, khuôn nhôm (10cm×10cm×1cm, 10cm×10cm×5cm), lò nướng điện loại 101-4AB, máy căng vạn năng điện tử loại KJ-1065, bộ điều nhiệt siêu cấp loại 501A.
Chuẩn bị công thức cơ bản và mẫu
Công thức cơ bản của bọt polyurethane bán cứng được thể hiện trong Bảng 1.
Chuẩn bị mẫu thử nghiệm tính chất cơ học: Polyete composite (vật liệu A) được chuẩn bị theo công thức thiết kế, trộn với MDI biến tính theo tỷ lệ nhất định, khuấy bằng thiết bị khuấy tốc độ cao (3000 vòng/phút) trong 3-5 giây, sau đó đổ vào khuôn tương ứng để tạo bọt, và mở khuôn trong một thời gian nhất định để thu được mẫu bọt polyurethane bán cứng đã được tạo hình.
Chuẩn bị mẫu để thử nghiệm hiệu suất liên kết: đặt một lớp màng PVC vào khuôn dưới, trộn polyether và MDI biến tính theo tỷ lệ thích hợp, khuấy đều bằng thiết bị khuấy tốc độ cao (3000 vòng/phút) trong 3-5 giây, sau đó đổ lên bề mặt màng, đóng khuôn và tạo hình bọt polyurethane có màng trong một khoảng thời gian nhất định.
Kiểm tra hiệu năng
Tính chất cơ học: Độ cứng nén 40% (CLD) được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO-3386; Độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO-1798; Độ bền xé được kiểm tra theo tiêu chuẩn ISO-8067. Hiệu suất liên kết: Máy căng vạn năng điện tử được sử dụng để bóc tách lớp vỏ và lớp xốp 180° theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM).
Hiệu suất lão hóa: Kiểm tra sự suy giảm các tính chất cơ học và tính chất liên kết sau 24 giờ lão hóa ở 120℃ theo nhiệt độ tiêu chuẩn của nhà sản xuất thiết bị gốc (OEM).
Kết quả và thảo luận
Tính chất cơ học
Bằng cách thay đổi tỷ lệ polyether polyol A và polymer polyol B trong công thức cơ bản, ảnh hưởng của liều lượng polyether khác nhau đến tính chất cơ học của bọt polyurethane bán cứng đã được nghiên cứu, như thể hiện trong Bảng 2.
Từ kết quả trong Bảng 2 có thể thấy rằng tỷ lệ giữa polyether polyol A và polymer polyol B có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ học của bọt polyurethane. Khi tỷ lệ polyether polyol A và polymer polyol B tăng lên, độ giãn dài khi đứt tăng, độ cứng nén giảm đến một mức độ nhất định, trong khi độ bền kéo và độ bền xé thay đổi không đáng kể. Chuỗi phân tử của polyurethane chủ yếu bao gồm đoạn mềm và đoạn cứng, đoạn mềm từ polyol và đoạn cứng từ liên kết carbamate. Một mặt, trọng lượng phân tử tương đối và giá trị hydroxyl của hai polyol khác nhau, mặt khác, polymer polyol B là một polyether polyol được biến tính bằng acrylonitrile và styrene, và độ cứng của đoạn chuỗi được cải thiện do sự tồn tại của vòng benzen, trong khi polymer polyol B chứa các chất phân tử nhỏ, làm tăng độ giòn của bọt. Khi polyether polyol A chiếm 80 phần và polymer polyol B chiếm 10 phần, các tính chất cơ học tổng thể của bọt tốt hơn.
Tính chất liên kết
Là một sản phẩm chịu tải trọng cao, tay vịn sẽ làm giảm đáng kể sự thoải mái khi sử dụng nếu lớp mút và lớp phủ bị bong tróc, do đó, khả năng bám dính của mút polyurethane và lớp phủ là rất quan trọng. Trên cơ sở nghiên cứu trên, các chất phân tán làm ướt khác nhau đã được thêm vào để kiểm tra tính chất bám dính của mút và lớp phủ. Kết quả được thể hiện trong Bảng 3.
Từ Bảng 3 có thể thấy rằng các chất phân tán làm ướt khác nhau có ảnh hưởng rõ rệt đến lực bóc tách giữa bọt và da: Bọt bị xẹp sau khi sử dụng chất phụ gia 2, điều này có thể do bọt bị mở quá mức sau khi thêm chất phụ gia 2; Sau khi sử dụng chất phụ gia 1 và 3, độ bền bóc tách của mẫu đối chứng tăng lên nhất định, và độ bền bóc tách của chất phụ gia 1 cao hơn khoảng 17% so với mẫu đối chứng, và độ bền bóc tách của chất phụ gia 3 cao hơn khoảng 25% so với mẫu đối chứng. Sự khác biệt giữa chất phụ gia 1 và chất phụ gia 3 chủ yếu là do sự khác biệt về khả năng thấm ướt của vật liệu composite trên bề mặt. Nói chung, để đánh giá khả năng thấm ướt của chất lỏng trên chất rắn, góc tiếp xúc là một thông số quan trọng để đo khả năng thấm ướt bề mặt. Do đó, góc tiếp xúc giữa vật liệu composite và da sau khi thêm hai chất phân tán làm ướt nêu trên đã được kiểm tra, và kết quả được thể hiện trong Hình 1.
Từ Hình 1 có thể thấy rằng góc tiếp xúc của mẫu đối chứng là lớn nhất, đạt 27°, và góc tiếp xúc của chất phụ gia 3 là nhỏ nhất, chỉ đạt 12°. Điều này cho thấy việc sử dụng chất phụ gia 3 có thể cải thiện khả năng thấm ướt của vật liệu composite và da ở mức độ lớn hơn, và dễ dàng lan tỏa trên bề mặt da hơn, do đó việc sử dụng chất phụ gia 3 mang lại lực bóc tách lớn nhất.
Tính chất lão hóa
Các sản phẩm tay vịn được ép trong xe, tần suất tiếp xúc với ánh nắng mặt trời cao, và khả năng chống lão hóa là một đặc tính quan trọng khác mà bọt polyurethane bán cứng dùng cho tay vịn cần phải xem xét. Do đó, khả năng chống lão hóa của công thức cơ bản đã được kiểm tra và nghiên cứu cải tiến đã được thực hiện, và kết quả được thể hiện trong Bảng 4.
So sánh dữ liệu trong Bảng 4, có thể thấy rằng các tính chất cơ học và tính chất liên kết của công thức cơ bản giảm đáng kể sau khi lão hóa nhiệt ở 120℃: sau khi lão hóa 12 giờ, sự suy giảm các tính chất khác nhau ngoại trừ mật độ (tương tự như bên dưới) là 13%~16%; sự suy giảm hiệu suất sau 24 giờ lão hóa là 23%~26%. Điều này cho thấy tính chất lão hóa nhiệt của công thức cơ bản không tốt, và tính chất lão hóa nhiệt của công thức ban đầu có thể được cải thiện rõ rệt bằng cách thêm chất chống oxy hóa loại A vào công thức. Trong cùng điều kiện thí nghiệm sau khi thêm chất chống oxy hóa A, sự suy giảm các tính chất khác nhau sau 12 giờ là 7%~8%, và sự suy giảm các tính chất khác nhau sau 24 giờ là 13%~16%. Sự suy giảm các tính chất cơ học chủ yếu là do một loạt các phản ứng dây chuyền được kích hoạt bởi sự phá vỡ liên kết hóa học và các gốc tự do hoạt tính trong quá trình lão hóa nhiệt, dẫn đến những thay đổi cơ bản trong cấu trúc hoặc tính chất của chất ban đầu. Một mặt, sự suy giảm hiệu suất liên kết là do sự suy giảm các tính chất cơ học của chính vật liệu xốp; mặt khác, do lớp vỏ PVC chứa một lượng lớn chất dẻo hóa, và chất dẻo hóa này di chuyển lên bề mặt trong quá trình lão hóa nhiệt oxy hóa. Việc bổ sung chất chống oxy hóa có thể cải thiện các đặc tính lão hóa nhiệt của nó, chủ yếu là vì chất chống oxy hóa có thể loại bỏ các gốc tự do mới sinh, làm chậm hoặc ức chế quá trình oxy hóa của polyme, từ đó duy trì các tính chất ban đầu của polyme.
Hiệu suất toàn diện
Dựa trên các kết quả trên, công thức tối ưu đã được thiết kế và các đặc tính khác nhau của nó đã được đánh giá. Hiệu suất của công thức được so sánh với hiệu suất của bọt polyurethane đàn hồi cao dùng cho lan can thông thường. Kết quả được thể hiện trong Bảng 5.
Như có thể thấy từ Bảng 5, công thức bọt polyurethane bán cứng tối ưu có những ưu điểm nhất định so với các công thức cơ bản và thông thường, đồng thời thiết thực hơn và phù hợp hơn cho ứng dụng lan can hiệu suất cao.
Phần kết luận
Việc điều chỉnh lượng polyether và lựa chọn chất phân tán làm ướt và chất chống oxy hóa đạt tiêu chuẩn có thể mang lại cho bọt polyurethane bán cứng các đặc tính cơ học tốt, đặc tính lão hóa nhiệt tuyệt vời, v.v. Dựa trên hiệu suất vượt trội của bọt, sản phẩm bọt polyurethane bán cứng hiệu suất cao này có thể được ứng dụng làm vật liệu đệm trong ô tô như tay vịn và bàn bảng điều khiển.
Thời gian đăng bài: 25/7/2024
