標簽： 成因
聚氨酯泡沫收縮成因及解決方案探討
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。其中占市場份額最大的真空管太陽熱水器是一個地地道道的中國產品，從設計開發到生產制作都無國外經驗可借鑒，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量至關重要，它決定了熱水器的保溫效果。聚氨酯產品歷來有“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最普遍存在的問題，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，凝膠之后，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”。它降溫后，因泡孔中氣體冷凝而嚴重收縮，受熱后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，凝膠之后因空間受限，泡沫體積無法繼續膨脹，且自行產生的發泡壓力，有利于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后的體積膨脹無法控制，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 從理論的控制上說，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御溫度的變化。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，我們推薦泡沫最低密度不得低于35kg/m3。如果發泡劑是HCFC-141b，那么泡沫密度應該增到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。這雖然表面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，系數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系很大。因為發泡是依靠熱量而進行的。如果沒有熱量，體系中的發泡劑無法蒸發，不能生成泡沫塑料。熱量來自兩方面，一是化學反應產生的熱量；一是環境提供的熱量?；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，環境能給反應體系提供熱量，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%另一方面會在泡沫表面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銹鋼、彩鋼板和壓花鋁等。壓花鋁因導熱系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面考慮，我們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，它包括環境溫度和模具溫度。溫度高，開模時間短。太陽熱水器發泡后一般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 仿效冰箱冰柜的做法，發泡料澆注后，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，開模后的桶體應在溫度25℃以上的環境中進行熟化8小時以上，然后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。
