Herstellung und Eigenschaften von halbstarrem Polyurethanschaum für Hochleistungs-Handläufe im Automobilbereich.
Die Armlehne im Fahrzeuginnenraum ist ein wichtiger Bestandteil der Fahrerkabine. Sie dient zum Öffnen und Schließen der Tür und bietet dem Fahrer eine bequeme Armlehne zum Abstützen. Im Notfall, beispielsweise bei einer Kollision zwischen Fahrzeug und Handlauf, bieten Handläufe aus weichem Polyurethan sowie aus modifiziertem Polypropylen (PP), ABS (Polyacrylnitril-Butadien-Styrol) und anderen Hartkunststoffen eine gute Elastizität und Dämpfung, wodurch das Verletzungsrisiko reduziert wird. Handläufe aus weichem Polyurethanschaum fühlen sich angenehm an und zeichnen sich durch eine ansprechende Oberflächenstruktur aus, was den Komfort und die Ästhetik des Cockpits erhöht. Mit der Weiterentwicklung der Automobilindustrie und den steigenden Ansprüchen der Verbraucher an Innenraummaterialien werden die Vorteile von weichem Polyurethanschaum für Fahrzeughandläufe immer deutlicher.
Es gibt drei Arten von Polyurethan-Handläufen: hochelastischer Schaumstoff, selbstummantelter Schaumstoff und halbfester Schaumstoff. Die Oberfläche der hochelastischen Handläufe ist mit einer PVC-Folie (Polyvinylchlorid) überzogen, der Kern besteht aus hochelastischem Polyurethanschaum. Die Stützkraft des Schaumstoffs ist relativ gering, die Festigkeit relativ niedrig und die Haftung zwischen Schaumstoff und Folie relativ unzureichend. Der selbstummantelte Handlauf besitzt einen Schaumstoffkern mit einer Deckschicht. Er ist kostengünstig, bietet einen hohen Integrationsgrad und wird häufig in Nutzfahrzeugen eingesetzt. Allerdings ist es schwierig, die Oberflächenfestigkeit und den Gesamtkomfort optimal zu berücksichtigen. Halbfeste Armlehnen sind mit einer PVC-Folie überzogen. Die Folie sorgt für eine angenehme Haptik und Optik, während der innere halbfeste Schaumstoff hervorragende Haptik, Stoßfestigkeit, Energieabsorption und Alterungsbeständigkeit bietet. Daher findet er zunehmend Verwendung im Pkw-Innenraum.
In diesem Beitrag wird die Grundformel für halbstarren Polyurethanschaum für Auto-Handläufe entworfen und auf dieser Basis deren Verbesserung untersucht.
Experimenteller Teil
Hauptrohstoff
Polyetherpolyol A (Hydroxylzahl 30–40 mg/g), Polymerpolyol B (Hydroxylzahl 25–30 mg/g): Wanhua Chemical Group Co., LTD. Modifiziertes MDI [Diphenylmethandiisocyanat, w(NCO) 25–30 %], Kompositkatalysator, Netzmittel (Mittel 3), Antioxidationsmittel A: Wanhua Chemical (Beijing) Co., LTD., Maitou u. a.; Netzmittel (Mittel 1), Netzmittel (Mittel 2): Byke Chemical. Die genannten Rohstoffe sind von Industriequalität. PVC-Auskleidung: Changshu Ruihua.
Hauptausrüstung und Instrumente
Hochgeschwindigkeitsmischer vom Typ Sdf-400, elektronische Waage vom Typ AR3202CN, Aluminiumform (10cm×10cm×1cm, 10cm×10cm×5cm), elektrischer Gebläseofen vom Typ 101-4AB, elektronische Universal-Spannmaschine vom Typ KJ-1065, Superthermostat vom Typ 501A.
Herstellung der Grundformel und der Probe
Die Grundrezeptur von halbstarrem Polyurethanschaum ist in Tabelle 1 dargestellt.
Herstellung der Probe für die Prüfung der mechanischen Eigenschaften: Das Polyether-Komposit (Material A) wurde gemäß der vorgegebenen Formel hergestellt, mit dem modifizierten MDI in einem bestimmten Verhältnis vermischt, 3 bis 5 Sekunden lang mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer (3000 U/min) gerührt, dann in die entsprechende Form gegossen, um zu schäumen, und die Form innerhalb einer bestimmten Zeit geöffnet, um die halbstarre Polyurethanschaum-Formprobe zu erhalten.
Herstellung der Probe für den Haftfestigkeitstest: Eine PVC-Deckschicht wird in die untere Formhälfte der Spritzgussform eingelegt. Anschließend werden Polyether und modifiziertes MDI im entsprechenden Verhältnis vermischt und 3–5 Sekunden lang mit einem Hochgeschwindigkeitsrührer (3000 U/min) gerührt. Danach wird die Mischung auf die Deckschicht gegossen, die Form geschlossen und der Polyurethanschaum mit der Deckschicht innerhalb einer bestimmten Zeit geformt.
Leistungstest
Mechanische Eigenschaften: 40 % CLD (Druckhärte) gemäß ISO 3386; Zugfestigkeit und Bruchdehnung gemäß ISO 1798; Weiterreißfestigkeit gemäß ISO 8067. Verklebungsleistung: Die elektronische Universal-Spannmaschine dient zum Abziehen der Haut und des Schaumstoffs um 180° gemäß OEM-Standard.
Alterungsverhalten: Testen Sie den Verlust der mechanischen Eigenschaften und der Bindungseigenschaften nach 24 Stunden Alterung bei 120℃ gemäß der Standardtemperatur eines OEM.
Ergebnisse und Diskussion
Mechanische Eigenschaften
Durch die Änderung des Verhältnisses von Polyetherpolyol A und Polymerpolyol B in der Grundformel wurde der Einfluss unterschiedlicher Polyetherdosierungen auf die mechanischen Eigenschaften von halbstarrem Polyurethanschaum untersucht, wie in Tabelle 2 dargestellt.
Aus den Ergebnissen in Tabelle 2 geht hervor, dass das Verhältnis von Polyetherpolyol A zu Polymerpolyol B einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Polyurethanschaum hat. Mit steigendem Verhältnis von Polyetherpolyol A zu Polymerpolyol B nimmt die Bruchdehnung zu, die Druckhärte sinkt leicht, während Zugfestigkeit und Reißfestigkeit sich kaum verändern. Die Molekülkette von Polyurethan besteht hauptsächlich aus Weich- und Hartsegmenten, wobei die Weichsegmente vom Polyol und die Hartsegmente von Carbamatbindungen stammen. Einerseits unterscheiden sich die beiden Polyole im relativen Molekulargewicht und in der Hydroxylzahl. Andererseits ist Polymerpolyol B ein mit Acrylnitril und Styrol modifiziertes Polyetherpolyol. Durch den Benzolring wird die Steifigkeit der Kettensegmente erhöht, andererseits enthält Polymerpolyol B niedermolekulare Substanzen, die die Sprödigkeit des Schaums erhöhen. Bei einem Verhältnis von 80 Teilen Polyetherpolyol A zu 10 Teilen Polymerpolyol B sind die mechanischen Eigenschaften des Schaums optimal.
Bindungseigenschaften
Da es sich bei dem Handlauf um ein Produkt mit hoher Belastungsfrequenz handelt, würde ein Ablösen von Schaumstoff und Deckschicht den Bedienkomfort erheblich beeinträchtigen. Daher ist die Haftung zwischen Polyurethanschaum und Deckschicht von entscheidender Bedeutung. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen wurden verschiedene Netzmittel hinzugefügt, um die Adhäsionseigenschaften von Schaumstoff und Deckschicht zu testen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich, haben verschiedene Netzmittel deutliche Auswirkungen auf die Ablösekraft zwischen Schaum und Haut: Nach Zugabe von Additiv 2 kommt es zum Schaumkollaps, vermutlich aufgrund einer übermäßigen Schaumöffnung. Nach Zugabe der Additive 1 und 3 erhöht sich die Ablösekraft der Kontrollprobe. Die Ablösekraft von Additiv 1 ist etwa 17 % höher als die der Kontrollprobe, die von Additiv 3 etwa 25 %. Der Unterschied zwischen Additiv 1 und Additiv 3 beruht hauptsächlich auf der unterschiedlichen Benetzbarkeit der Oberfläche des Verbundmaterials. Zur Beurteilung der Benetzbarkeit von Flüssigkeiten auf Feststoffen ist der Kontaktwinkel ein wichtiger Parameter. Daher wurde der Kontaktwinkel zwischen Verbundmaterial und Haut nach Zugabe der beiden Netzmittel gemessen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1 zeigt, dass der Kontaktwinkel der unbehandelten Probe mit 27° am größten und der Kontaktwinkel des Hilfsstoffs 3 mit nur 12° am kleinsten ist. Dies belegt, dass der Zusatzstoff 3 die Benetzbarkeit des Verbundmaterials und der Haut deutlich verbessert und sich leichter auf der Hautoberfläche verteilen lässt. Daher erzielt er die größte Ablösekraft.
Alternde Immobilie
Handlaufprodukte werden im Fahrzeug gepresst, wodurch sie häufiger Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind. Die Alterungsbeständigkeit ist ein weiteres wichtiges Kriterium, das bei halbstarrem Polyurethan-Handlaufschaum berücksichtigt werden muss. Daher wurde die Alterungsbeständigkeit der Basisrezeptur getestet und eine Verbesserungsstudie durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt.
Der Vergleich der Daten in Tabelle 4 zeigt, dass die mechanischen und Bindungseigenschaften der Grundrezeptur nach thermischer Alterung bei 120 °C deutlich abnehmen: Nach 12 Stunden Alterung beträgt der Verlust verschiedener Eigenschaften (mit Ausnahme der Dichte, im Folgenden gleich) 13–16 %; nach 24 Stunden Alterung liegt der Leistungsverlust bei 23–26 %. Dies deutet darauf hin, dass die Wärmebeständigkeit der Grundrezeptur unzureichend ist und durch die Zugabe des Antioxidans A der Klasse A deutlich verbessert werden kann. Unter gleichen Versuchsbedingungen betrug der Verlust verschiedener Eigenschaften nach Zugabe von Antioxidans A nach 12 Stunden 7–8 % und nach 24 Stunden 13–16 %. Die Abnahme der mechanischen Eigenschaften ist hauptsächlich auf eine Reihe von Kettenreaktionen zurückzuführen, die durch den Bruch chemischer Bindungen und reaktive freie Radikale während der thermischen Alterung ausgelöst werden und grundlegende Veränderungen in der Struktur oder den Eigenschaften des Ausgangsmaterials bewirken. Einerseits ist die nachlassende Haftung auf die abnehmenden mechanischen Eigenschaften des Schaums selbst zurückzuführen, andererseits liegt dies daran, dass die PVC-Oberfläche eine große Menge an Weichmachern enthält, die während der thermischen Sauerstoffalterung an die Oberfläche wandern. Die Zugabe von Antioxidantien kann die Beständigkeit gegenüber thermischer Alterung verbessern, da diese neu entstehende freie Radikale eliminieren, den Oxidationsprozess des Polymers verzögern oder hemmen und somit dessen ursprüngliche Eigenschaften erhalten.
Gesamtleistung
Auf Grundlage der obigen Ergebnisse wurde die optimale Rezeptur entwickelt und ihre verschiedenen Eigenschaften bewertet. Die Leistungsfähigkeit der Rezeptur wurde mit der von handelsüblichem Polyurethan-Handlaufschaum mit hoher Rückstellkraft verglichen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt.
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich, weist die optimale halbstarre Polyurethanschaum-Formel gegenüber den Basis- und Standardformeln gewisse Vorteile auf, ist praktischer und besser für die Anwendung bei Hochleistungshandläufen geeignet.
Abschluss
Durch die Anpassung der Polyethermenge und die Auswahl geeigneter Netzmittel und Antioxidantien lassen sich dem halbstarren Polyurethanschaum gute mechanische Eigenschaften, ausgezeichnete Wärmebeständigkeit usw. verleihen. Aufgrund dieser hervorragenden Eigenschaften eignet sich dieses Hochleistungsprodukt aus halbstarrem Polyurethanschaum für Anwendungen im Automobilbereich, beispielsweise für Handläufe und Instrumententische.
Veröffentlichungsdatum: 25. Juli 2024