聚氨酯硬泡生产工艺

第五章 聚氨酯硬泡生产工艺 5.1 硬泡成型工艺

5.1.1 聚氨酯硬泡的基本生产方法

聚氨酯硬泡一般为室温发泡,成型工艺比较简单.按施工机械化程度可分为手工发泡和

机械发泡.根据发泡时的压力,可分为高压发泡和低压发泡.

按成型方式可分为浇注发泡和喷涂发泡.浇注发泡按具体应用领域,制品形状又可分为

块状发泡,模塑发泡,保温壳体浇注等.

根据发泡体系可发为HCFC发泡体系,戊烷发泡体系和水发泡体系等,不同的发泡体 系对设备的要求不一样.

按是否连续化生产可分为间歇法和连续法.间歇法适合于小批量生产.连续法适合于大

规模生产,采用流水线生产方法,效率高.

按操作步骤中是否需预聚可分为一步法和预聚法(或半预聚法). 1.手工发泡及机械发泡

在不具备发泡机,模具数量少和泡沫制品的需要量不大时可采用手工浇注的方法成型.

手工发泡劳动生产率低,原料利用率低,有不少原料粘附在容器壁上.成品率也较低. 开发新配方,以及生产之前对原料体系进行例行检测和配方调试,一般需先在实验室进

行小试,即进行手工发泡试验.

在生产中,这种方法只适用于小规模现场临时施工,生产少量不定型产品或制作一些泡

沫塑料样品.手工发泡大致分几步:(1) 确定配方,计算制品的体积,根据密度计算用料量,

根据制品总用料量一般要求过量5%～15%.(2) 清理模具,涂脱模剂,模具预热.(3) 称 料,搅拌混合,浇注,熟化,脱模.

手工浇注的混合步骤为:将各种原料精确称量后,将多元醇及助剂预混合,多元醇预混 物及多异氰酸酯分别置于不同的容器中,然后将这些原料混合均匀,立即注入模具或需要充

填泡沫塑料的空间中去,经化学反应并发泡后即得到泡沫塑料.

在我国,一些中小型工厂中手工发泡仍占有重要的地位.手工浇注也是机械浇注的基础.

但在批量大,模具多的情况下手工浇注是不合适的.

批量生产,规模化施工,一般采用发泡机机械化操作,效率高. 2.一步法及预聚法

目前,硬质聚氨酯泡沫塑料都是用一步法生产的,也就是各种原料进行混合后发泡成型.

为了生产的方便,目前不少厂家把聚醚多元醇或(及)其它多元醇,催化剂,泡沫稳定剂,发

泡剂等原料预混在一起,称之为\白料\使用时与粗MDI(俗称\黑料\以双组分形式混 合发泡,仍属于\一步法\因为在混合发泡之前没有发生化学反应.

早期的聚氨酯硬泡采用预聚法生产.这是因为当时所用的多异氰酸酯原料为TDI-80. 由于TDI粘度小,与多元醇的粘度不匹配;TDI在高温下挥发性大;且与多元醇,水等反 应放热量大,若用一步法生产操作困难,故当时多用预聚法.

若把全部TDI和多元醇反应,制得的端异氰酸酯基预聚体粘度很高,使用不便.硬泡 生产中所指的预聚法实际上是\半预聚法\即首先TDI与部分多元醇反应,制成的预聚体

中NCO的质量分数一般为20%～25%.由于TDI大大过量,预聚体的粘度较低.预聚体再

和聚酯或聚醚多元醇,发泡剂,表面活性剂,催化剂等混合,经过发泡反应而制得硬质泡沫

塑料.预聚法优点是:发泡缓和,泡沫中心温度低,适合于模制品;缺点是:步骤复杂,物 料流动性差,对薄壁制品及形状复杂的制品不适用.

自从聚合MDI开发成功后,TDI已基本上不再用作硬质泡沫塑料的原料,一步法随之 78—

取代了预聚法.

5.1.2 浇注成型工艺

浇注发泡是聚氨酯硬泡常用的成型方法,即就是将各种原料混合均匀后,注入模具或制

件的空腔内发泡成型.

聚氨酯硬泡的浇注成型可采用手工发泡或机械发泡,机械发泡可采用间歇法及连续法发 泡方式.

机械浇注发泡的原理和手工发泡的相似,差别在于手工发泡是将各种原料依次称入容器

中,搅拌混合;而机械浇注发泡则是由计量泵按配方比例连续将原料输入发泡机的混合室快 速混合.

硬泡浇注方式适用于生产块状硬泡,硬泡模塑制品,在制件的空腔内填充泡沫,以及其 它的现场浇注泡沫.

5.1.2.1 块状硬泡及模塑发泡

块状硬质泡沫塑料指尺寸较大的硬泡块坯,一般可用间隙式浇注或用连续发泡机生产.

块状硬泡切割后制成一定形状的制品.模塑硬泡一般指在模具中直接浇注成型的硬泡制品.

块状硬泡的生产方法和连续法块状软泡及箱式发泡软泡相似. 原料中可加入一定量的固体粉状或糊状填料.

块状硬泡在模具顶上常装有一定重量的浮动盖板.反应物料量按模具体积和所需泡沫塑

料密度计算,另加3%～5%比较合适.这种情况下,泡沫上升受到浮动盖板限制,结构更 为均匀,各向异性程度减小.也可用自由发泡生产块状硬泡,即在没有顶盖的箱体内发泡,

泡沫密度由配方决定.小体积(体积小于0.5 m3,厚度不大于10cm)聚氨酯硬泡生产配方及工

艺目前已经成熟,国内普遍采用.大体积块状硬泡发泡工艺难度较大,国内生产厂家少.

在

大体积聚氨酯硬泡生产中,应注意防止泡沫内部产生的热量积聚而引起烧芯.一般需控制原

料中的水分,不用水发泡以减少热量的产生,尽量采用物理发泡剂以吸收反应热,降低发泡

原料的料温.

间隙式箱式发泡和模塑发泡,发泡过程大致是这样的:多元醇,发泡剂,催化剂等原料 精确计量后置于一容器中预混合均匀,加入异氰酸酯后立即充分混合均匀,具有流动性的反

应物料注入模具,经化学反应并发泡成型.

箱式块状发泡工艺的优点是投资少,灵活性大.一个模具每小时一般可生产两块硬泡. 缺点是原料损耗大,劳动生产率低.

模塑发泡是在有一定强度的密闭模具(如密闭的箱体)内发泡,密度由配方用量和设定的

模具体积来决定.一般用于生产一些小型硬泡制品,如整皮硬泡,结构硬泡等.模塑发泡的

模具要求能承受一定的模内压力.原料的过填充量根据要求的密度及整皮质量而定. 大体积块状泡沫一般需用发泡机混合与浇注物料.高,低压发泡机均可.机械发泡,发 泡料的乳白时间远比搅拌式混合的短.因此,生产大块泡沫塑料,最好选用大输出量发泡机.

连续法生产块状硬泡的过程与块状软泡的相似,所用发泡机,其原理和外观也与生产软

泡的机器相似.如Planibloc平顶发泡装置也适用于生产块状硬泡. 5.1.2.2 浇注成型中的注意事项

浇注发泡成型的催化剂以胺类催化剂为主,可采用延迟性胺类催化剂延长乳白时间,满

足对模具的填充要求,这类催化剂可提高原料体系的流动性,但不影响其固化性.异氰酸酯

指数稍大于100,如105.

浇注发泡成型过程中,原料温度与环境温度直接影响泡沫塑料制品的质量.环境温度以

20～30℃为宜,原料温度可控制在20～30℃或稍高一些.温度过高或过低都不易得到高质

量的制品.对船舶,车辆等大型制品现场浇注成型,难以控制环境温度,则可适当控制原料

温度并调节催化剂用量. 79—

对模具的要求是结构合理,拆装方便,重量轻,耐一定压力,并且内表面还要有较好的 光洁度.同时还要根据模具的大小和不同的形状,在合适的位置钻多个排气孔.制造模具的

材质一般是铝合金,有时也用钢模.模具温度的高低直接影响反应热移走的速度.模温低,

发泡倍率小,制品密度大,表皮厚;模温高则相反.为制得高质量的泡沫塑料制品,一般将

模温控制在40～50℃范围.料温和模温较低时,化学反应进行缓慢,泡沫固化时间长;温

度高,则固化时间短.

在注入模具内发泡时,应在脱模前将模具与制品一起放在较高温度环境下熟化,让化学

反应进行完全.若过早脱模,则熟化不充分,泡沫会变形.原料品种与制件形状尺寸不同, 所需的熟化时间和温度也不同.一般模塑泡沫在模具中需固化10min后才能脱模. 由于混合时间短,混合效率是需重视的因素.手工浇注发泡,搅拌器应有足够的功率和 转速.混合得均匀,泡沫孔细而均匀,质量好;混合不好,泡孔粗而不均匀,甚至在局部范 围内出现化学组成不符合配方要求的现象,大大影响制品质量. 5.1.3 聚氨酯硬泡喷涂成型

聚氨酯硬泡喷涂发泡成型即是将双组分组合料迅速混合后直接喷射到物件表面而发泡

成型.喷涂是聚氨酯硬泡是一种重要的施工方法,可用于冷库,粮库,住宅及厂房屋顶,墙

体,贮罐等领域的保温层施工,应用已逐渐普及.

喷涂发泡成型的优点是:不需要模具;无论是在水平面还是垂直面,顶面,无论是在形 状简单的物体表面或者还是复杂的表面,都可通过喷涂方法形成硬质聚氨酯泡沫塑料保温

层;劳动生产率高;喷涂发泡所得的硬质聚氨酯泡沫塑料无接缝,绝热效果好,兼具一定的

防水功能.

5.1.3.1 低压及高压喷涂

一般按喷涂设备压力分为低压喷涂和高压喷涂,高压喷涂发泡按提供压力的介质种类又

分为气压型和液压型高压喷涂工艺.

低压喷涂发泡是靠柱塞泵将聚氨酯泡沫组合料\白料\即组合聚醚),\黑料\即聚合 MDI)这两种原料从原料桶内抽出并输送到喷枪枪嘴,然后靠压缩空气将黑白两种原料从喷

枪嘴中吹出的同时使之混合发泡.低压喷涂发泡的缺点是:原材料损耗大,污染环境;黑白

两种原料容易互串而造成枪嘴,管道堵塞,每次停机都要手工清洗枪嘴;另外压缩空气压力

不稳定,混合效果时好时坏,影响发泡质量,喷涂表面不光滑.但低压喷涂发泡设备价格较

高压机低.

低压喷涂发泡施工是一般先开空气压缩机,调节空气压力和流量到所需值,然后开动计

量泵开始喷涂施工,枪口与被喷涂面距离300～500mm,以流量1～2 kg/min,喷枪移动速

度0.5～0.8 s/m为宜.喷涂结束时先停泵,再停压缩空气,拆喷枪,用溶剂清洗之.

高压喷涂发泡,物料在空间很小的混合室内高速撞击并剧烈旋转剪切,混合非常充分. 高速运动的物料在喷枪口形成细雾状液滴,均匀地喷射到物件表面.高压型喷涂发泡设备与

低压型喷涂发泡设备相比,具有压力波动小,喷涂雾化效果好,属无气喷涂,原料浪费少, 污染小,喷枪自清洁等一系列优点.目前国内高压喷涂设备主要来自美国Glas-Craft公司,

Graco公司,Gusmer等公司.进口的高压喷涂机有的带可控加热器,可把黑白料加热(最高

达70℃).为了方便施工,在主加热器与喷枪之间配备长管.为防止两个发泡料组分在流经

长管道时冷却降温,长管外面包有保温层,内有温度补偿加热器,以保证黑料,白料达到设

定的温度.

选择合适的喷涂发泡设备,是控制硬质聚氨酯喷涂泡沫平整度及泡沫质量的关键之一.

高压喷涂发泡效果明显优于低压喷涂发泡. 5.1.3.2 喷涂发泡工艺对原料的要求

①毒性小,喷涂发泡时,原料喷散成很细的液滴,为减少对环境的污染和操作人员的健 80—

康,除发泡剂外,其它原料中的低沸点成分应严加控制,臭味大的叔胺催化剂尽量少用.特

别是聚合MDI中,易挥发低相对分子质量的异氰酸酯含量要控制在很低范围内. ②粘度小,有利于在极短时间内混合均匀.

③催化剂活性要大,因为喷涂发泡工艺要求反应速度较快,泡沫应很快固化,不流淌. 一般选用三亚乙基二胺,二月桂酸二丁基锡等催化剂.具有催化作用的叔胺类多元醇,如由

乙二胺与环氧丙烷反应制得的俗称\胺醚\的多元醇,常常用于喷涂发泡.组合料的固化速

度应调节在适当的范围,如乳白时间3～5s,不粘时间10～20 s.这样,能保证反应液混合

后立即在喷射面固化,形成泡沫塑料.这一点,对由下往上的顶部喷涂特别重要. 关于喷涂发泡的环境条件,有几点应注意.

(1)喷涂发泡环境温度与待喷物体的表面温度较合适的温度范围是15～35℃.有的施 工单位把5～8℃作为最低温度界限.温度过低,泡沫塑料容易从物体表面脱落,而且泡沫

塑料的密度明显增大.温度在15～25℃范围内,泡沫塑料的密度没有明显变化;温度为5℃

时,密度明显升高.环境温度过高,发泡剂损耗太大.

(2)异氰酸酯很容易和水反应生成含脲键结构.这种结构含量增高,则泡沫塑料较脆. 待喷涂物体表面若有露水或霜,应予以去除,否则,泡沫塑料的脆性增大,且影响与物体表

面的粘接性.

(3)在室外进行喷涂发泡作业,当风速超过5 m/s时,因反应产生的热量被风吹失,

热量不易积累,妨碍泡沫塑料进一步快速发泡反应,不易得到优质泡沫塑料.另外,风速过

大,原料损耗也大.为防止喷涂物料细滴的飞散,减少对环境的污染,必要时,可用防风帷

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