聚氨酯泡沫塑料因密度低、保温绝热性好、吸水率低、毒性小、加工性好而被广泛应用于建筑、冷藏、管道等领域。发泡剂是生产聚氨酯泡沫塑料的重要助剂，由于第二代发泡剂HCFC-141b的ODP值为0.11,GWP值为725，对臭氧层及温室效应有很大的影响，所以仅能作为过渡性替代品使用。根据中国聚氨酯泡沫行业HCFC-141b淘汰计划(第二阶段)，聚氨酯泡沫行业在第一阶段取得的成果的基础上，逐步削减HCFC-141b消费量，并将在2025年底实现全行业淘汰。
目前常用的HCFC-141b发泡剂替代品主要有戊烷、水、氢氟烃(HFC)、液体二氧化碳、氢氟烯烃(HFO)和甲酸甲酯等。其中戊烷因具有环保、价格低廉、易得等优点而被广泛应用，然而戊烷易燃易爆，属于危险化学品，使用该种发泡剂需要对生产设备及厂房进行安全改造。虽然选择戊烷发泡替代技术初期投资较高，但从长期来看，综合经济效益明显，是HCFC-141b较为理想的替代品。
本文介绍了戊烷及其发泡制品的性能，并总结了相应的技术解决方案。
1 戊烷发泡剂的性能特性
戊烷易燃易爆，它的安全使用需要按照国家相关危险化学品管理要求执行，其存储、输送、混合等过程中使用的设备必须具备T3等级防爆特性，且戊烷所经区域需加设可燃气体检测装置、安全报警系统、抽排风系统及围房等设施。国内有关戊烷使用的安全标准还在审批中，国外戊烷替代技术应用较早，关于戊烷使用的安全标准相对更为完善，具有较好的借鉴意义。
目前，硬质聚氨酯泡沫生产中主要使用的戊烷系列发泡剂有环戊烷、正戊烷和异戊烷(见表1)，其中异戊烷因在聚醚多元醇中的溶解度较低，多以辅助发泡剂进行使用;正戊烷的沸点低，泡沫流动性和尺寸稳定性比环戊烷好，所以多用于现场混合为主的连续法生产工艺中;环戊烷的沸点较高，气相热导率最低，泡沫的绝热性能最好，可以预混，所以在硬质聚氨酯泡沫生产中应用最多。
1.1 相容性从分子结构分析，戊烷属于弱极性有机物，聚醚多元醇多为极性有机物，两者的相容性差，混合后易分层，而体系不均匀会导致泡沫泡孔大小不一、泡孔密度分布不均，进而影响泡沫的导热系数、压缩强度及尺寸稳定性等。可以通过选择与戊烷相容性较好的多元醇或者使用具有良好乳化性能的泡沫稳定剂等来改善发泡体系的均匀性和储存稳定性。
在聚醚多元醇分子结构中引入长碳链、合成聚醚所用起始剂的官能度和多元醇结构等因素对戊烷在发泡体系(组合料)中的溶解性有很大的影响。有关研究表明，在蔗糖类聚醚多元醇分子结构中引入质量分数为22%的长碳链植物油基团有利于提高环戊烷在聚醚中的溶解度;以蔗糖、甘油和环戊二醇为复合起始剂，在催化剂的作用下，与环氧丙烷反应制备的聚醚多元醇对环戊烷具有较好的溶解能力;以2,4-甲苯二胺(TDA)、山梨醇为起始剂制备的聚醚多元醇与环戊烷的相容性较好;芳族胺和脂族胺各自引发合成的聚氧化烯烃聚醚多元醇能够溶解其重量7%的环戊烷;含氮杂环聚酯多元醇具有良好的戊烷相容性，而且能显著提高最终制品的氧指数;2,3-二苯基琥珀酸为起始剂制备的2,3-二苯基琥珀酸聚酯多元醇对环戊烷及阻燃剂具有良好的相容性，同时所制备的聚氨酯泡沫具有优异的保温性能及阻燃性。
泡沫稳定剂虽然不能提高戊烷在体系中的溶解度，但是其乳化作用能使戊烷均匀分散在体系中，提高泡孔密度分布的均匀性。目前最常用的泡沫稳定剂是有机硅泡沫稳定剂(有机硅匀泡剂)。从分子结构看，有机硅匀泡剂由聚硅氧烷和聚醚两种链段组成，其中聚醚链段中的聚氧化丙烯链段具有疏水性及渗透作用，聚氧化乙烯链段具有亲水性和起泡性，所以泡沫稳定剂不仅有稳定泡沫的作用还能促进泡沫成核。通过调整聚醚链段中这两种链段的比例及引入相应的基团可以获得具有不同乳化性能的泡沫稳定剂。同时，泡沫稳定剂的作用还受发泡剂用量所限。
1.2 流动性由于戊烷发泡倍率大，在发泡体系中用量少，溶剂化效应小，所以组合聚醚体系黏度大，流动性差，会影响泡沫在模具腔体内的填充，对泡沫的导热性、尺寸稳定性及压缩强度等性能有很大的影响。
发泡体系的黏度与聚醚多元醇和异氰酸酯两种主体原料黏度有关。生产聚醚多元醇所用起始剂的量和结构等会影响聚醚多元醇的黏度，一般在氧化烯烃用量不变的前提下，起始剂用量越多，聚醚多元醇的分子量越低，其黏度越小;芳杂环含量越少，聚醚多元醇的黏度越小。由于单一聚醚多元醇可能无法同时兼顾组合聚醚的低黏度和硬质泡沫塑料刚性，为此可以选择不同特性的多元醇搭配使用来满足性能上的要求。
另外，通过催化剂调整乳白到凝胶的时间间隔也可以改善发泡料的流动性和粘结性，比如选择叔胺类催化剂促进乳白反应;通过复合催化体系实现促成核、延凝胶、强固化也可提高体系的流动性;将具有适宜乳化性能及流动性能的匀泡剂的用量控制在2.2～3.5份之间，也能改善体系流动性。
采用真空(负压)发泡提高泡沫流动性的发泡方式不仅可以降低泡沫的导热系数及固化时间，还能减少物理发泡剂如戊烷的用量，但由于这种技术的设备改造费用较高，目前未被推广。
2 戊烷发泡硬质聚氨酯泡沫制品的性能
2.1 尺寸稳定性及压缩强度影响硬质聚氨酯泡沫制品的尺寸稳定性因素主要有泡孔结构、泡孔壁的强度等。
当泡孔内外压力不一时，在发泡过程会导致塌泡或者泡孔破裂，泡沫成型后可影响泡沫的尺寸稳定性、压缩强度及绝热性能等。环戊烷的沸点为49℃，当作为单一发泡剂使用时，发泡后随着温度的下降，泡孔内部分环戊烷蒸汽冷凝形成负压，如果泡沫密度低则收缩明显，一般通过增加泡沫密度来提高尺寸稳定性。为了降低生产成本，目前国内企业选择在环戊烷发泡体系中添加低沸点烃异戊烷，一方面可以缩短乳白时间;另一方面可以提高低温下泡孔内的气体含量，维持泡孔结构的稳定性，降低泡沫的收缩率，还能在提高脱模速度的同时减少灌注量，但会对泡沫的导热性能带来负面影响，泡沫导热系数会有所增加。徐祥等通过对比实验表明，采用环戊烷/HFC-245fa混合发泡剂制备的泡沫的闭孔率相对较高。另外，更低沸点的HFC-245fa在环戊烷发泡体系中还具有成核剂的作用，可以有效改善聚异氰脲酸酯(PIR)连续板材的压缩强度、阻燃性和尺寸稳定性，但是随着《基加利修正案》于2021年9月15日对中国正式生效，HFC类物质也将进入使用额度冻结、淘汰倒计时阶段，目前国内海信等企业已经在进行HFO替代HFC的工作并取得了很好的效果。
另外，低温下泡孔内冷凝的环戊烷对泡沫有一定的溶胀作用，通过提高泡沫密度及交联度来增强基材强度可以有效保持泡沫尺寸稳定性。据大量实验证实，当环戊烷发泡泡沫密度在36～38 kg/m3时泡沫的尺寸稳定性良好，但由于提高泡沫密度会增加成本，所以现在大部分企业选择通过提高交联度或选用含“刚性结构”的原料来改善泡沫强度、提高尺寸稳定性，如提高异氰酸酯指数来对PU进行改性生成异氰脲酸酯结构，使用芳环聚醚等。在一定范围内，分子结构中硬段和苯环含量越高，泡沫强度越大，但苯环含量增加可使聚醚的黏度增加，给生产加工带来难度的同时也会影响泡沫的泡孔结构及泡孔密度分布。另外，硬段和苯环含量过高会导致泡沫变脆，直接影响泡沫的使用性能。
2.2 绝热性聚氨酯泡沫的绝热性主要与发泡剂的气相热导率、泡沫基质树脂的导热系数及热对流辐射有关。一般来说，发泡剂的气相热导率越低，泡孔直径越小、数量越多、密度分布越均匀，泡沫塑料的绝热性越好。
环戊烷的气相热导率比HCFC-141b的大，以其作为发泡剂制得的泡沫绝热性相对较差，当泡沫绝热要求较高时，可与低气相热导率的发泡剂(如HFC-365mfc、HFO等)配合使用。
由于戊烷发泡体系的均匀稳定性欠佳，所以在发泡过程中可能会存在泡孔大小不一、泡孔密度分布不均等问题，进而影响泡沫的绝热性，相应的改进措施可参考本文相容性及流动性的有关内容。
2.3 阻燃性 由于戊烷易燃易爆，泡沫本身也属于易燃材料，所以使用戊烷发泡剂生产的泡沫制品的阻燃性相对较差。鉴于现在国家要求建筑材料需达到B2甚至更高阻燃等级，所以提高戊烷发泡制品的阻燃等级是必须要克服的难题。提高泡沫的阻燃性可以通过添加阻燃剂、选用阻燃聚醚或芳环聚醚、提高异氰酸酯指数以引入异氰脲酸酯结构等方式实现。
目前常用的液态阻燃剂有甲基膦酸二甲酯(DMMP)、磷酸三(2-氯丙基)酯(TCPP)、三(2-氯乙基)磷酸酯(TCEP)等，其中DMMP含磷量较高，阻燃性优于TCPP和TCEP，但DMMP的增塑作用会降低泡沫的使用性能，需根据泡沫制品的阻燃要求进行选择。
由于常用阻燃聚醚的官能度低，所以要与普通硬泡聚醚搭配使用。使用芳环聚醚多元醇、高异氰酸酯指数配方(通过三聚反应生成PIR结构)不仅可以提高泡沫的阻燃性，还能提高泡沫的压缩强度和尺寸稳定性，但是“硬段”含量同样会影响泡沫的脆性及粘结性，所以需均衡各种性能之间的关系，选择合适的工艺配方。
3 结束语
零ODP、低GWP的戊烷发泡剂是一种较为理想的HCFC-141b发泡剂替代品。虽然戊烷作为单一发泡剂使用时有关性能不及HCFC-141b，且初期投资费用较高，但是通过优化配方，可以有效地平衡各性能之间的关系，加之价格低廉且易得，综合来看，其长期运行成本远低于其他发泡剂。因此，戊烷发泡体系在聚氨酯硬泡领域将有良好的发展前景。
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