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聚氨酯泡沫收縮成因及解決方案探討

作者:凱時平台機械  時間:2017-06-14 16:15:58
  1、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%,年產量達到780萬m2,產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國。其中占市場份額zui大的真空管太陽熱水器是一個地地道道的中國產品,從設計開發到生產製作都無國外經驗可借鑒,存在許多有待於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量至關重要,它決定了熱水器的保溫效果。聚氨酯產品曆來有“三分產品,七分發泡”的說法,也就是說,不僅需要好的聚氨酯發泡料,更需要一個科學的發泡工藝和嚴格的操作規程。 泡沫收縮是太陽熱水器zui普遍存在的問題,它能導致水箱變形、起鼓起楞甚至開裂,也即是太陽能生產廠家經常所說的“脫皮”、“脫殼”、“抽出一條脊梁骨”等現象。下麵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泡而成,以多次澆注為主。發泡過程中,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,凝膠之後,若泡沫體積仍在繼續膨脹,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”。它降溫後,因泡孔中氣體冷凝而嚴重收縮,受熱後隨泡孔中氣體膨脹而膨脹。多次澆注的發泡方式使得這種“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,凝膠之後因空間受限,泡沫體積無法繼續膨脹,且自行產生的發泡壓力,有利於形成圓球型結構的泡孔,這種形式的泡沫體泡孔強度高,穩定性好,不易變形。而目前太陽能熱水器的發泡工藝對凝膠之後的體積膨脹無法控製,因為內膽無法承受過量填充而帶來的發泡壓力。如果要泡沫達到正常性能,需要對太陽熱水器的結構設計和發泡工藝進行一次大變革,否則不能從根本上解決這一問題。
 
  2.2泡沫密度 從理論的控製上說,以CFC-11作發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禦溫度的變化。但考慮到太陽熱水器惡劣的工作環境,工作時的內外溫差(可能達到100℃),以及工作壽命的要求,凱時平台推薦泡沫zui低密度不得低於35kg/m3。如果發泡劑是HCFC-141b,那麽泡沫密度應該增到38kg/m3以上。 有的發泡料供應商,為了提高其市場競爭力,將泡沫密度降至30kg/m3以下。這雖然表麵上降低了泡沫生產成本,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。這種現象在部分太陽能生產廠家已有先例。
 
  2.3料比偏差 絕大多數發泡機的料比固定為1:1,也不便調整,但實際料比常受到發泡料粘度、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於手工自由泡時,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於手工自由泡時,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。 對於低壓澆注機由於其壓力低,隻有5~7kg/m3,當壓縮空氣的壓力波動到下限時或發泡料粘度略大時,都會影響混合效果,係數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,出現不規則的花斑或花紋。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環境溫度的影響 聚氨酯發泡與溫度的關係很大。因為發泡是依靠熱量而進行的。如果沒有熱量,體係中的發泡劑無法蒸發,不能生成泡沫塑料。熱量來自兩方麵,一是化學反應產生的熱量;一是環境提供的熱量。化學反應熱是一個定值,不隨外界因素的影響,但環境提供的熱量隨環境溫度的變化而變化。當環境溫度高時,環境能給反應體係提供熱量,可增加反應速度,縮短反應時間。表現為泡沫發泡充分,泡沫表層和芯部密度接近。當環境溫度低時(如18℃以下),部分反應熱散發到環境中。熱量的損失,一方麵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,同一發泡料,環境溫度15℃時的發泡體積比25℃的發泡體積小25%另一方麵會在泡沫表麵形成一層沒有充分發泡甚至不發泡的硬皮,增加了泡沫灌注量,提高了泡沫生產成本。。
 
  2.5外殼的材質和厚度因素 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鏽鋼、彩鋼板和壓花鋁等。壓花鋁因導熱係數大造成泡沫收縮率很大,逐步被淘汰。
 
  3 建議的發泡工藝條件 根據國內目前的現狀,從組合聚醚的工藝性能和泡沫性能兩方麵考慮,凱時平台認為太陽能熱水器的發泡工藝應具備以下條件:
 
  3.1溫度條件 環境溫度:以20℃~35℃為宜;A、B料溫度:高壓發泡機20±2℃,低壓機40±5℃。
 
  3.2模具(夾具)要求 發泡過程中,如何保持水箱外桶不變形、內桶不偏心曆來是個受人關注的問題,模具是一個很重要的因素。聚氨酯在發泡過程中產生的壓力為0.5~1.0kg/cm2,水箱在承受發泡壓力時,易發生變形,這需要有內外模具來承載壓力,同時模具應具備足夠的強度模具溫度應控製在40±5℃,以便泡沫迅速熟化,將成型收縮率降至zui小。另外根據太陽熱水器構造的實際情況,可向內桶充入壓縮空氣使內桶承載一定的壓力。
 
  3.3發泡設備 徹底淘汰原始的手工發泡方式,改用澆注機發泡,有條件的廠家可用高壓澆注機,流量必須在500g/s以上。聚氨酯發泡時,A料和B料在發泡機混合室內停留的時間是很短的,一般隻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zui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,徹底消除凝膠之後形成的不良泡沫。
 
  3.5開模時間 溫度是影響熱水器開模時間的重要因素,它包括環境溫度和模具溫度。溫度高,開模時間短。太陽熱水器發泡後一般12min左右開模,在實際生產過程可根據溫度、過填充量、保溫層厚度適當延長或縮短開模時間。
 
  3.6熟化 仿效冰箱冰櫃的做法,發泡料澆注後,將桶體移到40℃~60℃的加熱烘道中,在較高的環境溫度下快速完成熟化過程,促使泡沫結構穩定減小收縮發生的機會。如果沒有條件,開模後的桶體應在溫度25℃以上的環境中進行熟化8小時以上,然後移至溫度較低的地方(如成品庫)。為了保證產品質量和泡沫性能,建議各生產廠家建立太陽能熟化區。
 
  關鍵詞:聚氨酯設備_聚脲噴塗機_聚氨酯噴塗機_發泡機
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