連續(xù)板材用聚氨酯硬泡泡沫生長(zhǎng)速率研究

韓 玲, 李曉靜, 王 磊, 竇忠山, 劉永亮, 郭 磊

(1.萬(wàn)華節(jié)能科技集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.魯東大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264025)

聚氨酯硬泡是一種具有保溫與防水功能的新型合成材料，其導(dǎo)熱系數(shù)低，僅0.022 W/(m·k)～0.033 W/(m·k)，它的閉孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)越的保溫效果，是所有保溫材料中導(dǎo)熱系數(shù)最低的。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料主要應(yīng)用在建筑物外墻保溫、屋面防水保溫一體化、冷庫(kù)保溫隔熱、管道保溫材料、建筑板材、冷藏車(chē)及冷庫(kù)隔熱材等。我國(guó)目前建筑外墻的能源效率僅為歐美水平的18%，單位建筑面積采暖能耗為歐美水平的3倍[1]。聚氨酯硬泡板材作為保溫隔熱材料擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

本文通過(guò)Foamat曲線儀優(yōu)化了連續(xù)板材用聚氨酯硬泡的配方，實(shí)現(xiàn)了聚氨酯硬泡保溫板的工業(yè)化生產(chǎn)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚醚元醇R2470M，萬(wàn)華化學(xué)(寧波)容威聚氨酯有限公司；聚酯多元醇PS3152、PS345，斯泰潘(南京)化學(xué)有限公司； PM200，萬(wàn)華化學(xué)股份有限公司。以上原料以及催化劑、勻泡劑、發(fā)泡劑、阻燃劑等均為工業(yè)品。

1.2 主要儀器

熱導(dǎo)率儀，HC-074-200型，美國(guó)LaserComp公司；發(fā)泡曲線儀，Germany GmbH CMT；萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，4204型，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；氧指數(shù)測(cè)定儀，JF-3型，南京江寧分析儀器廠。

1.3 泡沫塑料的制備

將泡沫穩(wěn)定劑(1份～2份)、催化劑(5份～9份)、多元醇(80份～120份)、阻燃劑(30份～50份)和發(fā)泡劑(10份～25份)按比例調(diào)制成組合聚醚，與PM200(240份～360份)混合，立即高速攪拌(4 000 r/min)2 s～6 s，將混合料快速注入40 ℃的30 cm×30 cm×10 cm鋼模中，詳細(xì)記錄發(fā)泡數(shù)據(jù)。固化反應(yīng)30 min后脫模，室溫下熟化48 h后，測(cè)定產(chǎn)品性能。

2 結(jié)果及討論

2.1 催化劑對(duì)發(fā)泡曲線的影響

在硬泡板材的連續(xù)生產(chǎn)中，泡沫在腔體內(nèi)勻細(xì)程度、閉孔率高低等因素，對(duì)板材的保溫性能有很大影響，而這些因素與催化劑有很大關(guān)系。只有恰當(dāng)?shù)仄ヅ浯呋瘎拱l(fā)泡體系中各種反應(yīng)速度達(dá)到平衡，才能有效提高體系流動(dòng)性，改善泡沫性能。在基礎(chǔ)配方基礎(chǔ)上，分別加入1.2 g PC-8或1.2 gPC-41進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)oamat曲線見(jiàn)圖1。

圖1 催化劑對(duì)Foamat曲線的影響

可見(jiàn)，使用PC-41催化劑泡沫起發(fā)上升速率最快，達(dá)到2.5 mm/s，后期三聚速率達(dá)到3.5 mm/s；使用PC-8催化劑泡沫起發(fā)更快，泡沫上升速率最快能達(dá)到5 mm/s，后期三聚速率達(dá)到2.8 mm/s，故PC-41對(duì)三聚反應(yīng)作用更大些，而PC-8對(duì)前期發(fā)泡反應(yīng)的作用更大[2]。

2.2 發(fā)泡劑對(duì)發(fā)泡曲線的影響

發(fā)泡劑不僅可以調(diào)整和控制泡沫制品的密度和性能，還能降低組合聚醚的黏度，提高泡沫的流動(dòng)性，有利于泡沫成型[3]。發(fā)泡劑用HCFC-22代替HCFC-141B，其他條件不變，F(xiàn)oamat曲線見(jiàn)圖2。

圖2 發(fā)泡劑對(duì)Foamat曲線的影響

從圖2可知，HCFC-22發(fā)泡劑的發(fā)泡曲線更長(zhǎng)，乳白時(shí)間快，三聚峰出現(xiàn)晚。原因?yàn)?，一方面，HCFC-22沸點(diǎn)(-40.5 ℃)比141B沸點(diǎn)(32 ℃)低，氣化快，前期起發(fā)更快；另一方面，HCFC-22三聚峰拖后因?yàn)槠錃饣諢崃?，?dǎo)致溫度下降，后期三聚時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)板材的生產(chǎn)是不利，會(huì)導(dǎo)致板材熟化不好，容易產(chǎn)生變形。141B氣化吸熱比HCFC-22少，發(fā)泡料升溫快，能夠更早達(dá)到三聚溫度，故141B三聚峰出峰早。

2.3 聚醚組分對(duì)發(fā)泡曲線的影響

發(fā)泡曲線儀能夠描述泡沫增長(zhǎng)速率以及增長(zhǎng)高度隨時(shí)間的變化、泡沫拉絲時(shí)的高度占泡沫整體高度的比例等數(shù)據(jù)。比較了5種組合聚醚的發(fā)泡曲線如圖3所示。

圖3 組合聚醚對(duì)Foamat曲線的影響

從圖3可知，物料高度隨時(shí)間的變化曲線形狀基本一致，但斜率不同。物料增長(zhǎng)速度-時(shí)間曲線變化很大，1、2曲線是一個(gè)峰，3、4與5曲線都是兩個(gè)峰。如果只有一個(gè)三角形峰，底邊越大兩腰越平緩，則物料的增長(zhǎng)速度變化越平緩，越容易調(diào)整工藝；如果是兩個(gè)峰，那么面積與位置越接近，物料變化越平緩，越容易調(diào)整工藝，由圖3可知，5和3聚醚表現(xiàn)較好。

用乳白時(shí)間到纖維時(shí)間的間隔長(zhǎng)短可以衡量發(fā)泡流動(dòng)性的優(yōu)劣，間隔長(zhǎng)意味著物料有足夠時(shí)間充滿模腔，泡沫均勻，密度變化小。通常以纖維時(shí)間到不粘時(shí)間的間隔長(zhǎng)短來(lái)衡量固化速度的快慢，間隔短意味著固化反應(yīng)快，脫模時(shí)間可相應(yīng)縮短[4]。依據(jù)間隔時(shí)間，2和3聚醚表現(xiàn)最好。綜合評(píng)價(jià)，3聚醚效果最好。

2.4 連續(xù)板材用聚氨酯硬泡配方的優(yōu)化

除了上述催化劑、發(fā)泡劑、聚醚體系影響發(fā)泡效果外，有機(jī)硅油助劑也是影響泡沫平整度、均勻度的重要因素。硅油可以控制泡孔的大小及均勻性，使泡孔壁具有彈性，防止泡沫崩塌。本研究選擇L6950有機(jī)硅勻泡劑。

綜上所述，選擇PC-8、HCFC-141B、3聚醚體系，在此配方下制備的連續(xù)板材用聚氨酯硬泡導(dǎo)熱系數(shù)0.021 W/m.k(25 ℃)、密度45.21 kg/m3、抗壓強(qiáng)度269.70 KPa、氧指數(shù)30.2%、尺寸穩(wěn)定性[0.38%(70 ℃,48 h), 0.32%(-30 ℃,48 h)]。根據(jù)氧指數(shù)判斷板材達(dá)到B1等級(jí)(難燃級(jí))，板材綜合性能優(yōu)異。

3 結(jié)論

利用Foamat曲線儀研究了催化劑、發(fā)泡劑、聚醚等對(duì)連續(xù)板材用聚氨酯硬泡發(fā)泡曲線的影響，結(jié)果表明，PC-8、HCFC-141B、3聚醚表現(xiàn)更佳。聚氨酯硬泡板材達(dá)到B1等級(jí)，綜合性能優(yōu)異，可以工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。