硬質(zhì)聚氨酯泡沫板材技術(shù)與應(yīng)用

1聚氨酯板材的種類
    在建筑板材方面，根據(jù)制品狀況聚氨酯板材可以分為普通聚氨酯板材、復(fù)合聚氨酯板材等類型；依照發(fā)泡成型工藝情況又可以分為連續(xù)式板材和間歇式板材。
    間歇式板材要求發(fā)泡料在較短暫的時間內(nèi)填布滿較薄的大體積模腔，要求發(fā)泡體系要具有優(yōu)異的活動性、板材具有良好的密度分布和優(yōu)異的尺寸穩(wěn)定性；連續(xù)式板材則要求發(fā)泡參數(shù)與生產(chǎn)線速度具有合適的配合性、后期具有優(yōu)異的脫模性等。針對以上的具體要求，我們采用特種聚醚材料、配合優(yōu)選的催化體系，研制出分別適于各種生產(chǎn)線情況的發(fā)泡料體系，在國內(nèi)部分著名企業(yè)生產(chǎn)線上使用。
    2特點
    2.1穩(wěn)定性
    重量輕，強(qiáng)度高，尺寸穩(wěn)定性好
 我們生產(chǎn)間歇式板材，硬質(zhì)聚氨酯泡沫熟化一周后進(jìn)行泡沫性能檢測，泡沫性能如表1。
    表1  聚氨酯板材性能 
                泡沫指標(biāo)            檢測結(jié)果 
               密度/kg·m-3               42 
             壓縮強(qiáng)度/kPa           210 
            導(dǎo)熱系數(shù)/W·（m·k）-1        0.022 
             高溫/％（100 ℃，48 h）    0.2 
            低溫/％（-30 ℃，48 h）    0.6 
    2.2  粘協(xié)力強(qiáng) 
    聚氨酯硬泡對鋼、鋁、不銹鋼等金屬，木材、混凝土、石棉、瀝青、紙以及聚乙烯、聚丙烯等大多數(shù)塑料材料都具有良好的粘結(jié)強(qiáng)度。泡沫塑料和面材之間的粘接強(qiáng)度的大小直接影響復(fù)合板材的實用效果。
    表2  硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料和面材的粘接強(qiáng)度 
  泡沫塑料與各種面    與面板相接觸的泡沫塑料密度/kg·m-3 
  材的粘接強(qiáng)度/kPa      30      80   160      320  
       鋁             68.65  186.33  382.46  1 078.73 
      玻璃             58.80  176.52  343.23   980.67 
       鋼             78.45  196.13  431.49  1 010.08 
      木材            117.68  196.13  421.69  1 176.80 
    2.3  盡熱性能優(yōu)越
    聚氨酯硬泡閉孔率高，導(dǎo)熱系數(shù)極低，因此聚氨酯硬泡在目前建筑材料中盡熱性能最好。數(shù)據(jù)顯示，采用聚氨酯夾心板材后可比沒保溫隔熱的外墻節(jié)約60％作業(yè)的采熱費以鋼板與硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料復(fù)合為例，復(fù)合板材的導(dǎo)熱性列于表3。
表3  鋼板－硬質(zhì)聚氨酯泡沫復(fù)合板的導(dǎo)熱性 
          復(fù)合板材總厚度/mm   熱導(dǎo)率/W·（m·k）-1 
                35                  0.70 
                50                  0.46 
                60                  0.37 
               120                  0.23 
    3生產(chǎn)與工藝
    3.1間歇式板材
    3.1.1注射式板材的生產(chǎn)
    這種制造方法是在模具中注射成型，這是一種間歇式加工法。發(fā)泡機(jī)中的計量泵把聚氨酯兩種組分原料打進(jìn)混合頭，混合均勻后，通過模具的注進(jìn)孔把原料注進(jìn)模具空腔。模具空腔已經(jīng)事先安放了面材。發(fā)泡熟化后，即可從模具中取出板材。
    這種加工方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，適應(yīng)多品種生產(chǎn)。根據(jù)應(yīng)用上的需要，選用平面或凹凸形的面材作復(fù)合板材的表層，也可以應(yīng)用。這種方法生產(chǎn)板材時要留意調(diào)節(jié)發(fā)泡時間參數(shù)，對于不同長度的板材要選用不同配方，才能滿足不同規(guī)格板材成型工藝的要求，對于長度較長的板材來說，調(diào)整配方就很重要了。生產(chǎn)板材時，兩種組分原料注進(jìn)模具后，必須完全布滿模腔后才能凝膠，否則，難以制成泡沫密度均一的制品，假如凝膠固化速度太快，有可能造成間隔注射口近的地方填充密度過大，而間隔注射口較遠(yuǎn)的地方填充不滿，造成空腔。這時，調(diào)整聚醚組合料配方顯得尤為重要。
    3.1.2原料的選擇
    異氰酸酯（PAPI）組分選用煙臺萬華PM-200，這個組分是固定的。隨著PAPI用量增加，泡沫塑料的交聯(lián)度增加，其強(qiáng)度和剛度也隨之進(jìn)步，但若PAPI用量過多，泡體將發(fā)脆，芯材輕易產(chǎn)生裂紋。
 首先選擇聚醚多元醇最重要，聚醚多元醇是組成聚氨酯硬泡的基礎(chǔ)原料之一，它影響泡沫芯材的物理力學(xué)性能、尺寸穩(wěn)定性和發(fā)泡工藝性能。根據(jù)起始劑、羥值和粘度確定聚醚型號后，聚醚中夾雜鉀離子的含量選擇低的。
    泡沫穩(wěn)定劑選擇乳化能力強(qiáng)為宜。主要控制泡孔大小、維持泡孔的穩(wěn)定、防止泡孔崩塌。有機(jī)硅酮類泡沫穩(wěn)定劑對此具有較好的作用,其用量可在1.5～2.5（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）內(nèi)調(diào)節(jié)
    發(fā)泡劑的種類、用量對聚氨酯硬泡的密度、強(qiáng)度等物理性能有直接的影響。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粘度、改善其發(fā)泡工藝，進(jìn)步泡沫的活動性，有利于泡沫成型?？紤]到可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，現(xiàn)在已經(jīng)限制使用對生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重的CFC
    11氟烴類化合物，使用替換發(fā)泡劑。
    選擇催化劑可選用延遲催化體系，使乳白時間與凝膠時間間隔時間較長，有效進(jìn)步發(fā)泡體系的活動性，改善泡沫性能，以適合生產(chǎn)工藝操縱。泡沫在腔體內(nèi)是否均勻、泡沫細(xì)膩程度、泡沫閉孔率高低等因素對板材的整體保溫性能有很大影響，這些因素關(guān)系到泡沫與腔壁粘接牢固程度，泡沫尺寸穩(wěn)定性等。
    阻燃劑可以進(jìn)步泡沫塑料的耐火性，但是阻燃劑在發(fā)泡過程中對泡沫有破壞作用，在保證進(jìn)步阻燃效果的條件下，保證泡沫塑料的使用性能和尺寸穩(wěn)定性。
    3.1.3箱式保溫板材的生產(chǎn)
 采用類似于箱式軟泡生產(chǎn)的模具，將組合聚醚輸送至箱式發(fā)泡機(jī)工作釜中，攪拌幾分鐘后送進(jìn)發(fā)泡攪拌桶中，然后輸進(jìn)計算好的異氰酸酯組分，高速攪拌30秒后，提起攪拌桶并同時打開桶底蓋，使混合后的黑白料流進(jìn)箱式模具中（模具表面涂有脫模劑或者表面展聚乙烯塑料薄膜），放置浮動頂板，混合物進(jìn)行發(fā)泡。放置20min后，即可將箱體的四邊側(cè)板打開，取出聚氨酯硬質(zhì)泡沫，自然熟化24h后進(jìn)行切割。
    箱式保溫板材硬泡組合料的生產(chǎn)留意以下幾個方面：⑴選用高官能度聚醚多元醇；⑵水量應(yīng)控制在0.1％～0.5％之間，避免放熱過多引起泡沫燒芯；⑶控制組合料粘度不能過大，假如粘度過大，要選用延遲性催化劑，以適當(dāng)延長攪拌混合時間和乳白時間，有利于大量原料混合均勻，在大的模具中反應(yīng)完全，改善活動性。⑷在配方確定的條件下，原料溫度是影響發(fā)泡速度的主要因素。一般應(yīng)控制料溫在15℃左右。料溫過高，反應(yīng)速度太快，在激烈的放熱情況下，加上聚氨酯泡沫本身的導(dǎo)熱系數(shù)低，積累的熱量不易被擴(kuò)散，大量的熱量集中會造成泡沫體燒芯。
    在我國，冷躲保溫車需要大量廂板，需求量越來越大，廂體的主體材料是聚氨酯硬質(zhì)泡沫。河南冰熊冷躲車廠一直采用間歇式生產(chǎn)板材的方法。隨著國家對夾芯板產(chǎn)品安全環(huán)保性能及使用壽命要求大幅進(jìn)步，預(yù)計未來5年，聚氨酯板材的需求量將達(dá)到3000萬m3,市場份額超過60％。
    3.1.4塊料切割黏貼法
    木工適用的鋸、磨等加工方法均可用于加工塊狀硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。硬泡被加工成一定外形和尺寸后黏貼上面層材料就成為復(fù)合板材。聚氨酯、環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯、聚乙酸乙烯等膠粘劑都可以用于黏貼硬泡。黏貼之前一定要把硬泡表面切割時留下的粉塵除干凈。減壓吸塵除粉方法較為有效。黏貼過程所加壓力大小和加熱程度隨膠粘劑種類而異。有的膠粘劑內(nèi)含溶劑，預(yù)先鑒別這些溶劑是否會損壞硬泡和面層材料，玻璃纖維增強(qiáng)聚酯或環(huán)氧樹脂等增強(qiáng)材料能黏合于泡沫塑料上作面材。材料切割黏貼法的優(yōu)點是：生產(chǎn)裝置較為簡單，能制造曲面形板材，改變板材外形與尺寸，均較方便與經(jīng)濟(jì)。制品通常用作建筑物上曲線部分構(gòu)件、船艇等運動器材。缺點是有邊廢物天生，浪費泡沫塑料，增加一道黏貼工序比較麻煩，耗用勞動力用度較多。
3.2連續(xù)板材
    連續(xù)化生產(chǎn)復(fù)合板材，能大大進(jìn)步生產(chǎn)效率。水平式復(fù)合板材連續(xù)成型的過程：發(fā)泡機(jī)把原料均勻混合后，送到勻速移動的面材上發(fā)泡，同時，上層面材合向泡沫塑料，天生上下兩面都帶面材的復(fù)合板材。作為面材的材料多數(shù)以鋁箔、金屬材料為主。在發(fā)泡傳輸過程中，泡沫在雙層加壓面板中熟化，按所需長度切割，即可生產(chǎn)出所需規(guī)格的板材。
    夾芯板的厚度可通過改變成型機(jī)上、下金屬板傳送帶之間的間隔及側(cè)邊密封塊的厚度來調(diào)整。厚度可調(diào)范圍為20～250mm，傳送帶速度可在1.0～25m/min間根據(jù)需要無級調(diào)整，板材寬度也可根據(jù)需要在600～1200mm間調(diào)整。
    板材連續(xù)復(fù)合成型生產(chǎn)中，反應(yīng)物料分布一定要均勻?；旌项^簡單地往返澆注物料，在板材寬約1.25m時，生產(chǎn)速度一般限于9～10m/min。高于此速度，混合頭移動換向時，反應(yīng)物料在板材邊沿處易過量。另外，往返速度過高，操縱上不太安全。若用兩個以上混合頭聯(lián)合注料，雖能減少每一個混合頭的澆注量，但混合頭不往返移動，固定在中心，連接一個壓料輥或其他能使物料迅速分布均勻的配料裝置。高速連續(xù)復(fù)合成型生產(chǎn)過程對溫度與一個泡沫塑料的反應(yīng)速度非常敏感，特別是聚異氰脲酸酯泡沫體系。為減弱敏感程度，應(yīng)采用高粘度規(guī)格的聚合MDI。
    目前，我國有聚氨酯連續(xù)板材生產(chǎn)線大約五十多條。由于目前市場需求量以及其他因素影響，大多數(shù)連續(xù)板材生產(chǎn)線沒有滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)。隨著市場需求增加以及技術(shù)更新，不久的將來連續(xù)板材成為主流生產(chǎn)方式。