聚氨酯泡沫收縮成因及解決方案探討

1、引言 截至到2001年年底，我國太陽熱水器保有量約3 300萬m2，占世界保有量的70%，年產(chǎn)量達到780萬m2，產(chǎn)品年銷售量是歐洲的10倍，成為太陽熱水器的第一使用國和生產(chǎn)國。其中占市場份額最大的真空管太陽熱水器是一個地地道道的中國產(chǎn)品，從設計開發(fā)到生產(chǎn)制作都無國外經(jīng)驗可借鑒，存在許多有待于在實踐中慢慢完善的問題。眾所周知，對太陽熱水器來說，尤其是真空管太陽熱水器聚氨酯保溫層的質(zhì)量至關重要，它決定了熱水器的保溫效果。聚氨酯產(chǎn)品歷來有“三分產(chǎn)品，七分發(fā)泡”的說法，也就是說，不僅需要好的聚氨酯發(fā)泡料，更需要一個科學的發(fā)泡工藝和嚴格的操作規(guī)程。 泡沫收縮是太陽熱水器最普遍存在的問題，它能導致水箱變

2、形、起鼓起楞甚至開裂，也即是太陽能生產(chǎn)廠家經(jīng)常所說的“脫皮”、“脫殼”、“抽出一條脊梁骨”等現(xiàn)象。下面探討一下泡沫收縮的成因。 2 泡沫收縮成因分析 2.1形成不良泡沫 不良泡沫是造成泡沫收縮的主要原因之一，其尺寸收縮率為2%10%。 目前，太陽熱水器用聚氨酯泡沫都是一次或多次澆注自由發(fā)泡而成，以多次澆注為主。發(fā)泡過程中，除受大氣壓作用外，不受其他任何外界壓力的作用。聚氨酯泡沫填充空間在凝膠過程到來之前必須完全填滿，凝膠之后，若泡沫體積仍在繼續(xù)膨脹，所形成的泡沫，泡孔將明顯拉長，嚴重者可呈纖維狀，其物理機械性能很差，本文稱之為“不良泡沫”。它降溫后，因泡孔中氣體冷凝而嚴重收縮，受熱后隨泡孔中氣

3、體膨脹而膨脹。多次澆注的發(fā)泡方式使得這種“不良泡沫”所占比例增大。再者相鄰兩次澆注形成的交界處泡沫，因收縮率的不同受冷時，易造成泡沫開裂。因此在設計泡沫成型工藝時，應該設計成一次澆注過量填充的發(fā)泡方式。所謂過量填充，是指泡沫在凝膠之前完全填滿空間，凝膠之后因空間受限，泡沫體積無法繼續(xù)膨脹，且自行產(chǎn)生的發(fā)泡壓力，有利于形成圓球型結(jié)構(gòu)的泡孔，這種形式的泡沫體泡孔強度高，穩(wěn)定性好，不易變形。而目前太陽能熱水器的發(fā)泡工藝對凝膠之后的體積膨脹無法控制，因為內(nèi)膽無法承受過量填充而帶來的發(fā)泡壓力。如果要泡沫達到正常性能，需要對太陽熱水器的結(jié)構(gòu)設計和發(fā)泡工藝進行一次大變革，否則不能從根本上解決這一問題。 2.

4、2泡沫密度 從理論的控制上說，以CFC-11作發(fā)泡劑的泡沫密度在到達32kg/m3時，泡沫就應該有足夠的強度來抵御溫度的變化。但考慮到太陽熱水器惡劣的工作環(huán)境，工作時的內(nèi)外溫差（可能達到100），以及工作壽命的要求，我們推薦泡沫最低密度不得低于35kg/m3。如果發(fā)泡劑是HCFC-141b，那么泡沫密度應該增到38kg/m3以上。 有的發(fā)泡料供應商，為了提高其市場競爭力，將泡沫密度降至30kg/m3以下。這雖然表面上降低了泡沫生產(chǎn)成本，但泡沫強度低，不足以承載裝滿水的水箱重量，使得泡沫被慢慢壓扁，水箱的部分重量由真空管頂端支撐，真空管存著在被壓碎的危險。這種現(xiàn)象在部分太陽能生產(chǎn)廠家已有先例。

5、2.3料比偏差 絕大多數(shù)發(fā)泡機的料比固定為1：1，也不便調(diào)整，但實際料比常受到發(fā)泡料粘度、溫度等因素的影響而偏離1：1。這可從機器自由泡與手工自由泡密度的差別粗略看出。以手工自由泡密度作為基準，當機器自由泡密度低于手工自由泡時，表明A料（組合聚醚）過量。這種泡沫顏色白，強度低，手感軟，氣溫低時容易收縮。當機器自由泡密度高于手工自由泡時，表明B料（異氰酸酯）過量。這種泡沫顏色深，強度高，手感硬而脆。這些情況下應立即設法核對料比，查看過濾器是否堵塞，壓力、溫度指示是否正常，確保A、B料比例的準確性。 對于低壓澆注機由于其壓力低，只有57kg/m3，當壓縮空氣的壓力波動到下限時或發(fā)泡料粘度略大時，都

6、會影響混合效果，系數(shù)A、B料混合不勻，輕則泡沫顏色變深，泡孔粗大，泡沫脆性大；重則泡沫顏色不勻，出現(xiàn)不規(guī)則的花斑或花紋。這是因為局部A料過量（導致泡沫收縮），或局部B料過量造成的（導致泡沫易開裂）。 2.4環(huán)境溫度的影響 聚氨酯發(fā)泡與溫度的關系很大。因為發(fā)泡是依靠熱量而進行的。如果沒有熱量，體系中的發(fā)泡劑無法蒸發(fā)，不能生成泡沫塑料。熱量來自兩方面，一是化學反應產(chǎn)生的熱量；一是環(huán)境提供的熱量?；瘜W反應熱是一個定值，不隨外界因素的影響，但環(huán)境提供的熱量隨環(huán)境溫度的變化而變化。當環(huán)境溫度高時，環(huán)境能給反應體系提供熱量，可增加反應速度，縮短反應時間。表現(xiàn)為泡沫發(fā)泡充分，泡沫表層和芯部密度接近。當環(huán)境溫

7、度低時（如18以下），部分反應熱散發(fā)到環(huán)境中。熱量的損失，一方面造成泡沫熟化期延長，增大了泡沫成型收縮率，（溫度越低，成型收縮率越高）；試驗表明，同一發(fā)泡料，環(huán)境溫度15時的發(fā)泡體積比25的發(fā)泡體積小25%另一方面會在泡沫表面形成一層沒有充分發(fā)泡甚至不發(fā)泡的硬皮，增加了泡沫灌注量，提高了泡沫生產(chǎn)成本。 2.5外殼的材質(zhì)和厚度因素 外殼的厚度和強度對泡沫的收縮也有一定影響，一般在相同條件下，厚度越厚，強度越高，泡沫的收縮率越小。常見的外殼材料有不銹鋼、彩鋼板和壓花鋁等。壓花鋁因?qū)嵯禂?shù)大造成泡沫收縮率很大，逐步被淘汰。 3 建議的發(fā)泡工藝條件 根據(jù)國內(nèi)目前的現(xiàn)狀，從組合聚醚的工藝性能和泡沫性能兩

8、方面考慮，我們認為太陽能熱水器的發(fā)泡工藝應具備以下條件： 3.1溫度條件環(huán)境溫度：以2035為宜；A、B料溫度：高壓發(fā)泡機20±2，低壓機40±5。 3.2模具（夾具）要求 發(fā)泡過程中，如何保持水箱外桶不變形、內(nèi)桶不偏心歷來是個受人關注的問題，模具是一個很重要的因素。聚氨酯在發(fā)泡過程中產(chǎn)生的壓力為0.51.0kg/cm2，水箱在承受發(fā)泡壓力時，易發(fā)生變形，這需要有內(nèi)外模具來承載壓力，同時模具應具備足夠的強度模具溫度應控制在40±5，以便泡沫迅速熟化，將成型收縮率降至最小。另外根據(jù)太陽熱水器構(gòu)造的實際情況，可向內(nèi)桶充入壓縮空氣使內(nèi)

9、桶承載一定的壓力。3.3發(fā)泡設備 徹底淘汰原始的手工發(fā)泡方式，改用澆注機發(fā)泡，有條件的廠家可用高壓澆注機，流量必須在500g/s以上。聚氨酯發(fā)泡時，A料和B料在發(fā)泡機混合室內(nèi)停留的時間是很短的，一般只有幾分之一秒至幾秒，混合效率是一個很重要的因素。 3.4模壓泡充填 解決泡沫收縮問題的最佳方案應是采用模壓泡填充，將目前普遍采用的多次澆注自由發(fā)泡改為一次澆注過量填充，過填充率一般為10%15%，確保在泡沫凝膠之前填滿，徹底消除凝膠之后形成的不良泡沫。 3.5開模時間 溫度是影響熱水器開模時間的重要因素，它包括環(huán)境溫度和模具溫度。溫度高，開模時間短。太陽熱水器發(fā)泡后一般12min左右開模，在實際生產(chǎn)過程可根據(jù)溫度、過填充量、保溫層厚度適當延長或縮短開模時間。 3.6熟化 仿效冰箱冰柜的做法，發(fā)泡料澆注后，將桶體移到40