硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡成型探討

張俊兵

(太原市熱力實業(yè)有限公司，山西太原 030013)

1 概述

近幾十年來，在生產(chǎn)和生活的各個領(lǐng)域，硬質(zhì)聚氨酯泡沫的產(chǎn)量年增長速度十分迅猛。有大量的氣體、液體需要保溫、保冷的條件下運輸、儲存和輸送。對于這些容器、設(shè)備、管線的保溫、保冷，傳統(tǒng)的保溫、保冷材料，如石棉、礦渣棉、珍珠巖、鋸末、瀝青、玻璃纖維等，都存在許多缺點，這些保溫材料施工程序復(fù)雜，操作不便，有些材料對施工人員的健康還有較大危害。另外，這些保溫材料的熱導(dǎo)率較高，絕熱效果差，能量損耗嚴重，使用壽命較短。相比之下，聚氨酯硬質(zhì)泡沫熱導(dǎo)率最低，并能很好地摒棄傳統(tǒng)保溫材料的缺點，尤其在材料絕熱性能方面是其他保溫材料無法與之相比的。其主要應(yīng)用于建筑和集中供熱行業(yè)，其次用于冰箱冰柜等制冷設(shè)備以及運輸業(yè)的絕熱保溫材料。

隨著硬質(zhì)聚氨酯泡沫生產(chǎn)的逐漸成熟，市場供應(yīng)的擴大，研究工作不斷深入，新品種、新工藝研發(fā)、新設(shè)備的改進，使硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料得到了全面發(fā)展。在硬質(zhì)聚氨酯泡沫制品的制備工藝技術(shù)方面，提出更高要求。普遍采用大型發(fā)泡設(shè)備，進行大規(guī)?；?、連續(xù)化、自動化、系列化提高勞動生產(chǎn)率，降低成本，減少原料單耗，采用計算機控制物料溫度、流量、流速等各種參數(shù)來調(diào)整制得更優(yōu)質(zhì)的聚氨酯泡沫。

2 硬質(zhì)聚氨酯泡沫的優(yōu)點

1)絕熱效果好。使用聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡，不僅保溫層薄而輕，而且絕熱效果優(yōu)異。

2)聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡具有很高的閉孔率，并能生產(chǎn)密實的外表皮層，不易滲水，防水效果好。

3)熱穩(wěn)定性能好，工作溫度范圍廣。新型聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡保溫層可以在150℃工況條件下長期工作，服務(wù)期可達25年之久。

4)耐化學(xué)性能好，不僅耐熱保溫，而且具有較好的防腐功能。

5)可以在工廠中進行大規(guī)模機械化生產(chǎn)，效率高，質(zhì)量好;施工簡單方便，對施工人員的健康無損傷、安全、可靠。

3 硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡工藝與成型

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料發(fā)泡分三種:預(yù)聚體法、半預(yù)聚體法、一步法。

1)預(yù)聚體法:通常是把等份的聚醚和異氰酸酯混合反應(yīng)生成低分子聚合物預(yù)聚體，然后，將水和預(yù)聚體在攪拌下反應(yīng)生成脲基，形成高聚物。由于在反應(yīng)中生成二氧化碳，形成鏈增長發(fā)泡生成泡沫塑料。

2)半預(yù)聚體法制預(yù)聚體:是把一部分聚醚和過量異氰酸酯混合反應(yīng)，生成由一定粘度的低分子量聚合物，將多余部分的聚醚與水、催化劑和表面活性劑高速攪拌混合均勻后形成的硬質(zhì)或半硬質(zhì)泡沫塑料。

3)一步法:是把聚醚、異氰酸酯及其他組分同時全部混合而制得泡沫塑料。一步法制造工藝簡單易操作，不經(jīng)加工可直接使用，能在室溫下進行，各原料相互間的混溶性好發(fā)泡后的制品性能優(yōu)良。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料的發(fā)泡工藝通常在發(fā)泡設(shè)備中將聚醚或聚合多元醇、異氰酸酯、水、催化劑、表面活性劑等按比例配方混合制成液體原料，具有一定粘度，在高速攪拌混合后反應(yīng)，分別由計量泵按比例在混合室內(nèi)高速混合，噴射到模具制備中，在一定溫度下固化后形成聚氨酯泡沫塑料?，F(xiàn)在工業(yè)制造中多用一步法來制得不同支鏈類型的預(yù)聚體。

硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料最簡單的發(fā)泡成型方法是手工發(fā)泡法，原料按比例置于一容器中，高速攪拌混合均勻，注入充填泡沫塑料的空間中，待化學(xué)反應(yīng)固化完形成聚氨酯泡沫，其原料利用率低，適用于在實驗室中的科研、現(xiàn)場臨時施工。然而在大批量生產(chǎn)中則采用機械發(fā)泡，有:塊狀發(fā)泡連續(xù)成型、澆筑發(fā)泡、噴涂發(fā)泡等工藝。最通用的成型方法是澆筑發(fā)泡、噴涂發(fā)泡、連續(xù)成型發(fā)泡。不同發(fā)泡工藝制得的泡沫性能也大不同，形狀、外觀等也不同。

4 硬質(zhì)聚氨酯發(fā)泡成型的影響

1)原料:聚醚和聚酯都作為發(fā)泡成型的組分。聚醚多元醇與異氰酸酯的比例不同，可制得軟質(zhì)泡沫、半硬質(zhì)泡沫、硬質(zhì)泡沫。原料溫度的高低直接影響計量配比的精準性，同時影響物料粘度大小。一旦粘度變化，導(dǎo)致計量泵的輸出精度發(fā)生變化，嚴重影響制品的質(zhì)量。聚醚多元醇組分偏大，所得泡沫塑料軟，高溫下尺寸穩(wěn)定性差;異氰酸酯組分偏高，泡沫塑料硬而脆。

2)溫度:發(fā)泡成型過程中，料溫和環(huán)境溫度的高低直接影響泡沫塑料制品的質(zhì)量。而長期儲存和溫度變化對異氰酸酯也很不利。異氰酸酯中二聚物的存在，使異氰酸酯變化得渾濁不清，也干擾正常反應(yīng)。在生產(chǎn)中，溫度低，發(fā)泡反應(yīng)緩慢，泡沫固化時間長;溫度高，則發(fā)泡反應(yīng)快，泡沫固化時間短。

3)注射溫度、速度和壓力:在注模之前，要進行高壓循環(huán)，以致物料溫度因高壓運動，使溫度上升，所以注料溫度與原料貯藏溫度是不同的。它取決于循環(huán)時間與壓力，注料速度對原料的混合產(chǎn)生較大影響。一般注料速度快和沖壓高，可制得優(yōu)質(zhì)泡沫制品。

4)模具溫度:是發(fā)泡成型的關(guān)鍵因素，可直接影響泡沫的乳白、拉絲、不粘、固化速度，因此必須嚴格控制。發(fā)泡成型是一個化學(xué)反應(yīng)放熱過程，放出的熱量使發(fā)泡劑汽化，在聚氨酯填充空腔中翻滾擠壓而形成含有不規(guī)則大小泡孔的泡沫。模溫是較重要的工藝參數(shù)，不僅影響反應(yīng)熱移走的速度，還影響成型時長，對密度、表層厚度及尺寸穩(wěn)定性都會產(chǎn)生不良影響。發(fā)泡成型過程中發(fā)泡劑反應(yīng)放熱，形成聚合物在填充空腔中互相推擠、翻滾、爬升與模具表面接觸，泡孔破裂經(jīng)擠壓塌泡形成密實層。模具溫度高，則形成極薄的表層，不能滿足上色要求，制件表面易產(chǎn)生劣跡;溫度低，則發(fā)泡倍率小，結(jié)皮過厚，將降低熱傳導(dǎo)率。

5)固化時間:泡沫塑料固化后，在一定溫度下放置的過程，目的是讓發(fā)泡反應(yīng)進行完全，得到良好的制品。在注入模具內(nèi)時，應(yīng)把發(fā)泡料和模具加熱，完成發(fā)泡反應(yīng)后存放于較高溫度的環(huán)境中。溫度越高，固化時間越短。溫度低，固化時間長，熟化不充分，泡沫塑料強度達不到應(yīng)有的要求。原料品種與制件形狀尺寸不同，所需固化時間與溫度也不同。

6)混合:發(fā)泡成型時，混合效率是一個很關(guān)鍵因素。根據(jù)原料的特性，調(diào)整發(fā)泡設(shè)備的計量比例、料溫達到充分混合的目的?；旌暇鶆?，泡沫塑料泡孔細而均勻;混合不好，泡孔粗而不均勻，甚至在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)不充分現(xiàn)象，大大影響制品質(zhì)量。

7)模具發(fā)泡成型時，由于聚醚和異氰酸酯反應(yīng)生成二氧化碳氣體，聚合物膨脹產(chǎn)生一定內(nèi)壓力。模具制約著泡沫形態(tài)的發(fā)展，應(yīng)有足夠的強度和內(nèi)表面光滑度，以便保證泡沫全部填充滿，不會在發(fā)泡后期造成泡沫開裂和中空，使泡沫在模具中分布均勻、密實。還應(yīng)在合理的位置開設(shè)注料口、排氣口，可以合理避免局部大泡孔和收縮的出現(xiàn)。

5 結(jié)語

在不同行業(yè)領(lǐng)域中硬質(zhì)聚氨酯泡沫產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展。對硬質(zhì)聚氨酯泡沫品質(zhì)要求越來越高，因此針對不同原料，通過改變配方、提高發(fā)泡設(shè)備精準度及發(fā)泡成型工藝來制備各種不同密度、不同性能，滿足不同應(yīng)用的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料制品。