การเตรียมและการศึกษาคุณสมบัติของโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งสำหรับราวจับประสิทธิภาพสูงในรถยนต์
ที่วางแขนภายในรถยนต์เป็นส่วนสำคัญของห้องโดยสาร ทำหน้าที่ในการผลักและดึงประตู รวมถึงเป็นที่วางแขนของผู้โดยสาร ในกรณีฉุกเฉิน เมื่อรถชนกับราววางแขน ราววางแขนที่ทำจากโพลียูรีเทนแบบนุ่ม และราววางแขนที่ทำจากพลาสติกแข็ง เช่น PP (โพลีโพรพีลีน) ABS (โพลีอะคริโลไนไตรล์-บิวทาไดอีน-สไตรีน) สามารถให้ความยืดหยุ่นและช่วยลดแรงกระแทกได้ดี จึงช่วยลดการบาดเจ็บได้ ราววางแขนที่ทำจากโฟมโพลียูรีเทนแบบนุ่มให้สัมผัสที่ดีและพื้นผิวที่สวยงาม ช่วยเพิ่มความสะดวกสบายและความสวยงามให้กับห้องโดยสาร ดังนั้น ด้วยการพัฒนาของอุตสาหกรรมยานยนต์และความต้องการของผู้คนเกี่ยวกับวัสดุภายในรถ ข้อดีของโฟมโพลียูรีเทนแบบนุ่มในราววางแขนรถยนต์จึงชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ
ราวจับแบบนุ่มที่ทำจากโพลียูรีเทนมี 3 ชนิด ได้แก่ โฟมที่มีความยืดหยุ่นสูง โฟมแบบมีเปลือกหุ้ม และโฟมกึ่งแข็ง ราวจับแบบที่มีความยืดหยุ่นสูงนั้น ผิวด้านนอกหุ้มด้วย PVC (โพลีไวนิลคลอไรด์) และด้านในเป็นโฟมโพลียูรีเทนที่มีความยืดหยุ่นสูง ข้อเสียคือ โฟมมีความแข็งแรงค่อนข้างน้อย และการยึดเกาะระหว่างโฟมกับเปลือกหุ้มไม่ดีเท่าที่ควร ส่วนราวจับแบบมีเปลือกหุ้มนั้นมีแกนกลางเป็นโฟม ทำให้ต้นทุนต่ำ มีความสามารถในการรวมวัสดุสูง และนิยมใช้ในรถยนต์เพื่อการพาณิชย์ แต่มีข้อจำกัดเรื่องความแข็งแรงของพื้นผิวและความสบายโดยรวม ราวจับแบบกึ่งแข็งนั้นหุ้มด้วย PVC ซึ่งให้สัมผัสและรูปลักษณ์ที่ดี และโฟมกึ่งแข็งด้านในมีคุณสมบัติที่ดีเยี่ยม ทั้งด้านสัมผัส ความทนทานต่อแรงกระแทก การดูดซับพลังงาน และความทนทานต่อการเสื่อมสภาพ จึงนิยมใช้ในรถยนต์นั่งส่วนบุคคลมากขึ้นเรื่อยๆ
ในบทความนี้ ได้ออกแบบสูตรพื้นฐานของโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งสำหรับราวจับในรถยนต์ และศึกษาการปรับปรุงสูตรดังกล่าวบนพื้นฐานนี้
ส่วนทดลอง
วัตถุดิบหลัก
โพลีอีเทอร์โพลีออล A (ค่าไฮดรอกซิล 30 ~ 40 มก./กรัม), โพลีเมอร์โพลีออล B (ค่าไฮดรอกซิล 25 ~ 30 มก./กรัม): บริษัท Wanhua Chemical Group จำกัด MDI ดัดแปลง [ไดฟีนิลมีเทนไดไอโซไซยาเนต, w (NCO) 25%~30%], ตัวเร่งปฏิกิริยาคอมโพสิต, สารช่วยกระจายตัว (สารตัวที่ 3), สารต้านอนุมูลอิสระ A: บริษัท Wanhua Chemical (Beijing) จำกัด, Maitou เป็นต้น; สารช่วยกระจายตัว (สารตัวที่ 1), สารช่วยกระจายตัว (สารตัวที่ 2): บริษัท Byke Chemical วัตถุดิบข้างต้นเป็นเกรดอุตสาหกรรม ผิวเคลือบ PVC: Changshu Ruihua
อุปกรณ์และเครื่องมือหลัก
เครื่องผสมความเร็วสูงแบบ Sdf-400, เครื่องชั่งอิเล็กทรอนิกส์แบบ AR3202CN, แม่พิมพ์อลูมิเนียม (10 ซม. × 10 ซม. × 1 ซม., 10 ซม. × 10 ซม. × 5 ซม.), เตาอบเป่าลมไฟฟ้าแบบ 101-4AB, เครื่องวัดแรงดึงอเนกประสงค์อิเล็กทรอนิกส์แบบ KJ-1065, เทอร์โมสตัทควบคุมอุณหภูมิแบบ 501A
การเตรียมสูตรพื้นฐานและตัวอย่าง
สูตรพื้นฐานของโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งแสดงไว้ในตารางที่ 1
การเตรียมตัวอย่างทดสอบคุณสมบัติทางกล: เตรียมวัสดุคอมโพสิตโพลีอีเทอร์ (วัสดุ A) ตามสูตรการออกแบบ ผสมกับ MDI ที่ปรับปรุงแล้วในสัดส่วนที่กำหนด กวนด้วยเครื่องกวนความเร็วสูง (3000 รอบ/นาที) เป็นเวลา 3-5 วินาที จากนั้นเทลงในแม่พิมพ์ที่เหมาะสมเพื่อขึ้นรูปเป็นโฟม และเปิดแม่พิมพ์ภายในระยะเวลาที่กำหนดเพื่อให้ได้ตัวอย่างโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็ง
การเตรียมชิ้นงานสำหรับการทดสอบประสิทธิภาพการยึดติด: วางแผ่นผิว PVC ลงในแม่พิมพ์ด้านล่าง ผสมโพลีอีเทอร์และ MDI ที่ดัดแปลงแล้วในสัดส่วนที่เหมาะสม กวนด้วยเครื่องกวนความเร็วสูง (3,000 รอบ/นาที) เป็นเวลา 3-5 วินาที จากนั้นเทลงบนพื้นผิวของแผ่นผิว ปิดแม่พิมพ์ และขึ้นรูปโฟมโพลียูรีเทนติดกับแผ่นผิวภายในระยะเวลาที่กำหนด
การทดสอบประสิทธิภาพ
คุณสมบัติทางกล: ความแข็งในการรับแรงอัด 40%CLD ตามมาตรฐาน ISO-3386; ความแข็งแรงดึงและการยืดตัวเมื่อขาดทดสอบตามมาตรฐาน ISO-1798; ความแข็งแรงในการฉีกขาดทดสอบตามมาตรฐาน ISO-8067 ประสิทธิภาพการยึดติด: ใช้เครื่องทดสอบแรงดึงอเนกประสงค์แบบอิเล็กทรอนิกส์ในการลอกผิวและโฟม 180° ตามมาตรฐานของ OEM
ประสิทธิภาพการเสื่อมสภาพ: ทดสอบการสูญเสียคุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติการยึดติดหลังจากผ่านไป 24 ชั่วโมงของการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิ 120℃ ตามอุณหภูมิมาตรฐานของผู้ผลิตอุปกรณ์ดั้งเดิม (OEM)
ผลการวิจัยและการอภิปราย
คุณสมบัติเชิงกล
โดยการเปลี่ยนอัตราส่วนของโพลีอีเทอร์โพลีออล A และโพลีเมอร์โพลีออล B ในสูตรพื้นฐาน ได้มีการศึกษาอิทธิพลของปริมาณโพลีอีเทอร์ที่แตกต่างกันต่อคุณสมบัติเชิงกลของโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็ง ดังแสดงในตารางที่ 2
จากผลลัพธ์ในตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าอัตราส่วนของโพลีอีเทอร์โพลีออล A ต่อโพลีเมอร์โพลีออล B มีผลอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกลของโฟมโพลียูรีเทน เมื่ออัตราส่วนของโพลีอีเทอร์โพลีออล A ต่อโพลีเมอร์โพลีออล B เพิ่มขึ้น การยืดตัว ณ จุดแตกหักจะเพิ่มขึ้น ความแข็งในการอัดจะลดลงในระดับหนึ่ง และความแข็งแรงในการดึงและความแข็งแรงในการฉีกขาดเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย โซ่โมเลกุลของโพลียูรีเทนส่วนใหญ่ประกอบด้วยส่วนอ่อนและส่วนแข็ง ส่วนอ่อนมาจากโพลีออลและส่วนแข็งมาจากพันธะคาร์บาเมต ในด้านหนึ่ง น้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์และค่าไฮดรอกซิลของโพลีออลทั้งสองแตกต่างกัน ในอีกด้านหนึ่ง โพลีเมอร์โพลีออล B เป็นโพลีอีเทอร์โพลีออลที่ดัดแปลงด้วยอะคริโลไนไตรล์และสไตรีน และความแข็งแกร่งของส่วนโซ่จะดีขึ้นเนื่องจากการมีอยู่ของวงแหวนเบนซีน ในขณะที่โพลีเมอร์โพลีออล B ประกอบด้วยสารโมเลกุลขนาดเล็ก ซึ่งเพิ่มความเปราะของโฟม เมื่ออัตราส่วนของโพลีอีเทอร์โพลีออล A อยู่ที่ 80 ส่วน และโพลีเมอร์โพลีออล B อยู่ที่ 10 ส่วน คุณสมบัติเชิงกลโดยรวมของโฟมจะดีขึ้น
ทรัพย์สินที่ผูกพัน
เนื่องจากราวบันไดเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีการใช้งานบ่อย หากโฟมและผิวเคลือบหลุดลอก จะทำให้ความสบายในการใช้งานลดลงอย่างมาก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาประสิทธิภาพการยึดเกาะของโฟมโพลียูรีเทนและผิวเคลือบ จากการวิจัยข้างต้น จึงได้เติมสารช่วยกระจายตัวชนิดต่างๆ เพื่อทดสอบคุณสมบัติการยึดเกาะของโฟมและผิวเคลือบ ผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 3
จากตารางที่ 3 จะเห็นได้ว่าสารช่วยกระจายตัวที่ทำให้เกิดการเปียกที่แตกต่างกันมีผลอย่างชัดเจนต่อแรงลอกระหว่างโฟมและผิวหนัง: โฟมยุบตัวลงหลังจากใช้สารเติมแต่งที่ 2 ซึ่งอาจเกิดจากการเปิดของโฟมมากเกินไปหลังจากเติมสารเติมแต่งที่ 2; หลังจากใช้สารเติมแต่งที่ 1 และ 3 ความแข็งแรงในการลอกของตัวอย่างเปล่าเพิ่มขึ้นอย่างเห็นได้ชัด โดยความแข็งแรงในการลอกของสารเติมแต่งที่ 1 สูงกว่าตัวอย่างเปล่าประมาณ 17% และความแข็งแรงในการลอกของสารเติมแต่งที่ 3 สูงกว่าตัวอย่างเปล่าประมาณ 25% ความแตกต่างระหว่างสารเติมแต่งที่ 1 และสารเติมแต่งที่ 3 เกิดจากความแตกต่างในความสามารถในการเปียกของวัสดุคอมโพสิตบนพื้นผิวเป็นหลัก โดยทั่วไปแล้ว ในการประเมินความสามารถในการเปียกของของเหลวบนของแข็ง มุมสัมผัสเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการวัดความสามารถในการเปียกของพื้นผิว ดังนั้นจึงได้ทำการทดสอบมุมสัมผัสระหว่างวัสดุคอมโพสิตและผิวหนังหลังจากเติมสารช่วยกระจายตัวที่ทำให้เกิดการเปียกทั้งสองชนิดข้างต้น และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 1
จากรูปที่ 1 จะเห็นได้ว่ามุมสัมผัสของตัวอย่างเปล่ามีค่ามากที่สุด คือ 27° และมุมสัมผัสของสารช่วยเสริม 3 มีค่าน้อยที่สุด คือเพียง 12° แสดงให้เห็นว่าการใช้สารเสริม 3 สามารถปรับปรุงการเปียกของวัสดุคอมโพสิตและผิวหนังได้ดีกว่า และกระจายตัวบนผิวหนังได้ง่ายกว่า ดังนั้นการใช้สารเสริม 3 จึงมีแรงลอกสูงสุด
อสังหาริมทรัพย์ที่เสื่อมสภาพตามกาลเวลา
ผลิตภัณฑ์ราวบันไดถูกใช้งานในรถยนต์ มีโอกาสสัมผัสกับแสงแดดบ่อยครั้ง และประสิทธิภาพการเสื่อมสภาพเป็นอีกหนึ่งคุณสมบัติสำคัญที่โฟมราวบันไดโพลียูรีเทนกึ่งแข็งต้องพิจารณา ดังนั้นจึงได้ทำการทดสอบประสิทธิภาพการเสื่อมสภาพของสูตรพื้นฐานและศึกษาการปรับปรุง โดยผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 4
จากการเปรียบเทียบข้อมูลในตารางที่ 4 พบว่า คุณสมบัติทางกลและคุณสมบัติการยึดเกาะของสูตรพื้นฐานลดลงอย่างมากหลังจากผ่านการบ่มด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ 120℃: หลังจากบ่มเป็นเวลา 12 ชั่วโมง การสูญเสียคุณสมบัติต่างๆ ยกเว้นความหนาแน่น (เช่นเดียวกับด้านล่าง) อยู่ที่ 13%~16%; การสูญเสียคุณสมบัติหลังจากบ่ม 24 ชั่วโมงอยู่ที่ 23%~26% แสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติการบ่มด้วยความร้อนของสูตรพื้นฐานไม่ดี และคุณสมบัติการบ่มด้วยความร้อนของสูตรเดิมสามารถปรับปรุงได้อย่างชัดเจนโดยการเติมสารต้านอนุมูลอิสระชนิด A ลงในสูตร ภายใต้เงื่อนไขการทดลองเดียวกัน หลังจากเติมสารต้านอนุมูลอิสระชนิด A แล้ว การสูญเสียคุณสมบัติต่างๆ หลังจาก 12 ชั่วโมงอยู่ที่ 7%~8% และการสูญเสียคุณสมบัติต่างๆ หลังจาก 24 ชั่วโมงอยู่ที่ 13%~16% การลดลงของคุณสมบัติทางกลส่วนใหญ่เกิดจากปฏิกิริยาลูกโซ่ที่เกิดจากการแตกของพันธะเคมีและอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นระหว่างกระบวนการบ่มด้วยความร้อน ส่งผลให้โครงสร้างหรือคุณสมบัติของสารเดิมเปลี่ยนแปลงไปอย่างพื้นฐาน ในด้านหนึ่ง การลดลงของประสิทธิภาพการยึดเกาะเกิดจากการลดลงของคุณสมบัติทางกลของโฟมเอง ในอีกด้านหนึ่ง เนื่องจากผิว PVC มีสารทำให้พลาสติกอ่อนตัวจำนวนมาก และสารทำให้พลาสติกอ่อนตัวจะเคลื่อนตัวไปยังพื้นผิวในระหว่างกระบวนการเสื่อมสภาพจากความร้อนและออกซิเจน การเติมสารต้านอนุมูลอิสระสามารถปรับปรุงคุณสมบัติการเสื่อมสภาพจากความร้อนได้ เนื่องจากสารต้านอนุมูลอิสระสามารถกำจัดอนุมูลอิสระที่เกิดขึ้นใหม่ ชะลอหรือยับยั้งกระบวนการออกซิเดชันของพอลิเมอร์ เพื่อรักษาคุณสมบัติเดิมของพอลิเมอร์ไว้
ประสิทธิภาพโดยรวม
จากผลลัพธ์ข้างต้น จึงได้ออกแบบสูตรที่เหมาะสมที่สุดและประเมินคุณสมบัติต่างๆ ของสูตรดังกล่าว จากนั้นจึงเปรียบเทียบประสิทธิภาพของสูตรนี้กับโฟมโพลียูรีเทนสำหรับราวบันไดที่มีความยืดหยุ่นสูงทั่วไป ผลลัพธ์แสดงในตารางที่ 5
จากตารางที่ 5 จะเห็นได้ว่าประสิทธิภาพของสูตรโฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งที่เหมาะสมที่สุดนั้นมีข้อดีบางประการเหนือกว่าสูตรพื้นฐานและทั่วไป และมีความเหมาะสมในทางปฏิบัติมากกว่า รวมถึงเหมาะสำหรับการใช้งานในราวบันไดประสิทธิภาพสูงอีกด้วย
บทสรุป
การปรับปริมาณโพลีอีเทอร์และการเลือกสารช่วยกระจายตัวและสารต้านอนุมูลอิสระที่มีคุณภาพ จะช่วยให้โฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งมีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยม คุณสมบัติการทนต่อความร้อนสูง และอื่นๆ อีกมากมาย ด้วยประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมของโฟมนี้ ผลิตภัณฑ์โฟมโพลียูรีเทนกึ่งแข็งประสิทธิภาพสูงนี้จึงสามารถนำไปใช้กับวัสดุกันกระแทกในรถยนต์ เช่น ราวจับและโต๊ะวางอุปกรณ์ได้
วันที่เผยแพร่: 25 กรกฎาคม 2567