当年化学老师告诉我们,一摩尔的氧气可以和两摩尔的氢气反应生成一摩尔的水,水分子的结构式也就是H2O,也体现出它的化学量比为二比一;同样聚氨酯化学也是按照这样的原理来设计计算的。
聚氨酯原料常见的有聚醚多元醇及异氰酸酯,聚醚根据其分子量和羟基官能度个数的不同又有很多种类,比如3000分子量的两羟基聚醚及三羟基聚醚,同样异氰酸酯除了分子量的区别外也有单官及双多官的异氰酸酯。通常情况下一份的羟基和一份的NCO异氰酸酯反应生成一份的氨基甲酸酯,也就是6乘以10的23次方个羟基和6乘以10的23次方个NCO反应,就是一摩尔和一摩尔反应,为了简化理解,人们引入当量概念,聚氨酯在配方计算时也按照等当量来设计配方。如两官3000分子量的聚醚和纯MDI,它们都是两官能度,当量分别为1500和125,分子量和能够参与反应的官能团数的比值就是当量,即1500公斤的聚醚和125公斤的异氰酸酯,或15克的聚醚和1.25克的异氰酸酯是可以充分反应的,至于生成物的分子量是很大很大的,理论上接近无限几乎。MDI的分子量是250,也就是说6乘以10的23次方个MDI分子的重要是250克,再加上聚醚的分子量这个数字就相当大了,所以聚氨酯聚合物也是高分子聚合物,当然在现实情况中难免会出现各种各样的条件导致实际的聚合物不会有那么高的分子量。
以上我们大概了解化学原理,下面我们说一说具体的算法。如在聚氨酯CPU浇注工艺中,往往先要合成预聚体,预聚体大家比较熟悉的,会有一个NCO质量分数的数据,人们根据这个数据来计算加入多少的固化剂或扩链剂更为合适。假设固化剂为常见的MOCA,其分子量为267,当量为133.5,假设NCO质量分数为5.6%,那么固化剂摩卡的每100份加入量为5.6乘以3.18再乘以R值,每100份消除了质量分数的百分号%,3.18为摩卡当量133.5与NCO分子量42的近似比值,R值为异氰酸酯指数,在浇注料中一般取值为0.85到0.95,具体多少更为合适要根据不同厂家的预聚体及相关条件来确定,当R值为1时即接近理想聚合,会生成分子量无限的高分子材料,因为在实际生产过程中难免接触空气及设备的非完全理想情况,空气中的水分原料的纯度及设备模具等表面的有效官能团多少会消耗一些NCO基团,从而人们会使得NCO过量一些,即R值一般小于1,当然在聚氨酯的热塑TPU颗粒料里是另外的情况。根据以往的经验数据来看,分别采用分子量为1000和2000的两官聚醚配合TDI预聚合时,NCO的质量分数设计不宜超过6.2%和3.6%,否则预聚体中游离的TDI将会增多,尤其在环保日益严重的今天,设计者应尽量提前预防或改用MDI,同时也会影响存储及性能的稳定。