聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板連續生產原料、設備與工藝研究

王耀西，王磊，羅曉明

(萬華節能科技集團股份有限公司，山東 煙臺 264002)

聚氨酯硬質泡沫塑料的閉孔結構使其具有優越的保溫效果（100 mm厚的PU硬質泡沫塑料的保溫效果約相當于160 mm厚的EPS、200 mm厚的酚醛與橡膠泡沫、300 mm厚的空心板制品）[1]。聚氨酯硬質泡沫塑料板材還具有重量輕、耐熱性好、燃燒不產生熔滴等優異性能，廣泛應用于廠房、機場候機廳、停車場等建筑的屋頂和墻面保溫隔熱。另外，我國北方現有住宅90%以上為混合結構，建筑外墻的能源效率僅為國外先進水平的18%，單位建筑面積采暖能耗為國外先進水平的3倍[2]。隨著建筑節能工作的大力開展，聚氨酯泡沫塑料復合板作為保溫隔熱效果最好的材料之一，擁有不錯的市場前景。但是聚氨酯硬質泡沫塑料目前阻燃等級只能達到B1級難燃，還不能滿足GB 50016—2014 建筑設計防火規范中部分建筑保溫高度、燃燒等級等諸多限制性條件的要求，這是影響聚氨酯硬質泡沫塑料在建筑保溫領域應用的最大難題。

本文研究的聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板（圖1）不僅擁有聚氨酯泡沫塑料板的保溫效果和質輕、耐水等優點，而且面向應用的結構依次是彩鋼板和50～100 mm厚度的巖棉板，具有極高的阻燃能力。本文研究了聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板連續生產中需要的B1級組合聚醚原料、聚氨酯泡沫塑料和巖棉與彩鋼板復合成型的設備與工藝，實現了聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板的工業化大規模生產。

圖1 聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板構造圖

1 聚氨酯泡沫塑料實驗部分

1.1 主要原料

聚醚元醇R2470M（羥值450～500 mg KOH/g），萬華化學（寧波）容威聚氨酯有限公司；聚酯多元醇 PS3152（ 羥值 280～320 mg KOH/g）、PS3452（ 羥值230～270 mgKOH/g），斯泰潘(南京)化學有限公司；發泡劑HCFC-141b，浙江三美化工股份有限公司；多亞甲基多苯基異氰酸酯PM200，萬華化學股份有限公司；金屬鹽催化劑1、五甲基二乙基三胺（PC-5）、N,N-二甲基環己胺（PC-8）、金屬鹽催化劑2、TMR-4，空氣化工；三(2-氯丙基)磷酸酯（TCPP），濱海雅克化工有限公司；有機硅勻泡劑L6950，邁圖高新材料集團。以上均為工業級。

1.2 主要測試儀器

CMT 4204型萬能試驗機，深圳市新三思計量技術有限公司；JF-3型氧指數測定儀，南京江寧分析儀器廠；HC-074-200型熱導率儀，美國LaserComp公司；發泡曲線儀Foam qualification system，Germany Format Messtechnik GmbH。

1.3 泡沫塑料的制備

制備B1級聚氨酯泡沫塑料前，按表1配方配制組合聚醚。

表1 B1級聚氨酯泡沫塑料配方

將多元醇、泡沫穩定劑、催化劑和發泡劑按比例配制成組合聚醚，與一定量的PM200混合，立即充分攪拌（轉速4000 r/min）2～6 s，快速將混合料注入模溫40℃的30 cm×30 cm×10 cm鋼模中，并記錄各種發泡參數。試樣固化5 min后脫模，在室溫下熟化48 h后，檢測產品性能。

1.4 測試與表征

按照GB/T 6343—1995標準測試泡沫表觀芯密度；按照GB/T 8811—2008標準測試尺寸穩定性；按照GB/T 8813—2008標準測試壓縮強度。導熱系數按照GB /T 10295—2008 標準測試; 氧指數按照GB/T2406.1—2008標準測試。

2 生產設備與工藝

2.1 生產設備

生產設備以鎮江奧力機械有限公司聚氨酯泡沫塑料連續板材生產線（圖2）[3]為基礎改造而來，增加巖棉翻轉、傳送裝置、巖棉側邊銑削裝置；增加了用于將彩鋼板與巖棉黏接于一體的初步黏接機構，初步黏接機構包括設于傳送履帶左側正上方的噴膠裝置等。

2.2 生產工藝

（1）將聚氨酯組合料的A料和B料加入儲料罐，將膠黏劑加入噴膠機儲料罐備用[4]。

圖2 聚氨酯泡沫塑料連續板材生產線示意圖

（2）將彩鋼板卷安裝在開卷機上，使用壓型機把彩鋼板板加工成一定特定形狀的凹凸面層，壓型后由傳送履帶運行傳遞。

（3）將巖棉置于傳送履帶上，由傳送履帶運行傳遞。

（4）噴膠機儲料罐內的膠黏劑通過噴膠機槍頭均勻地澆注于彩鋼板上，已噴膠的彩鋼板在向前運行傳遞的過程中與同步傳遞的巖棉完成初步黏接。

（5）黏貼有巖棉的彩鋼板繼續沿著傳送履帶向前運行，儲料罐內的聚氨酯組合料經發泡機槍頭直接在巖棉與彩鋼板的復合體上澆注。

（6）澆注工序結束后，傳送履帶將復合體送入雙履帶層壓機構內，并在雙履帶層壓機構內完成聚氨酯組合料的發泡成型與熟化，使聚氨酯組合料反應形成的硬泡聚氨酯層與巖棉、彩鋼板高壓黏接為一體，制成聚氨酯泡沫塑料高阻燃復合板。

（7）在線切割并包裝。

3 結果與討論

3.1 泡沫塑料發泡曲線的影響

使用發泡曲線儀Foam qualif i cation system（German y Format Messtechnik GmbH）測出時間與泡沫增長高度、速度、溫度、壓力的關系曲線，從而比較準確的反應泡沫增長高度隨時間的變化，泡沫增長速率隨時間的變化，泡沫拉絲時的高度占泡沫整體高度的比例等數據。本文考察了不同組合聚醚體系的發泡曲線如圖3所示：

從圖3可以看，物料高度-時間曲線形狀大致相同，斜率有所區別。物料增長速度-時間曲線變化很大，藍色、黑色曲線是一個峰比較突出，紫色、紅色與藍黑色曲線都有很明顯的兩個峰。如只有一個峰，峰呈現三角形，這樣三角形的底邊越大兩腰越平緩，則物料增長速度變化的越平緩，越有利于生產工藝的調整；如果兩個峰，PU峰和PⅠR峰位置與面積越接近，則物料增長速度變化的越平緩，越有利于生產工藝的調整，如兩個峰融合在一起，整個圖形呈現梯形，在梯形的左側邊泡沫還沒有進入壓機，梯形右側邊泡沫已經凝膠，泡沫增長高度已到90%左右，泡沫在壓機里面的體積增長大多處于梯形的上邊，速度基本不變，會比較利于生產工藝的調整，從圖3可以看，紅色，藍黑色曲線表現較好。

不同原料的乳白時間不等，如用乳白時間到纖維時間的時間間隔長短來衡量發泡流動性的優劣，間隔時間長意味著在纖維時間之前有較充裕的時間，物料能從容充滿模腔，泡沫分布均勻，密度梯度小。通常以纖維時間到不黏時間的間隔長短來衡量固化速度的快慢，間隔短意味著固化反應快，脫模時間可相應縮短[5]。從圖3可以看，不同組合聚醚體系拉絲時的高度占泡沫整體高度的比例見表2，黑色與藍黑色表現最好：

圖 3 不同組合聚醚體系的發泡曲線對比

表2 物料拉絲時的高度占泡沫整體高度的比例

從不同組合聚醚體系的發泡曲線對比，我們選擇了兩方面表現均比較優秀的藍黑色。

3.2 泡沫塑料助劑的影響

在硬泡板材的連續生產中，泡沫在腔體內是否均勻、泡沫勻細程度、泡沫閉孔率高低等因素，對板材的保溫性性能有很大影響，這些因素關系到泡沫與腔壁黏接牢固程度、泡沫尺寸穩定性等，而這些因素與催化劑的使用有很大關系[6]。只有充分了解各種催化劑的性能，恰當地匹配不同功能催化劑的用量，使發泡體系中各種反應的速度達到平衡，才能有效提高體系的流動性，改善泡沫的性能[7]。

發泡劑水、HCFC-141b的調節，也可以作為改善物料的流動性的輔助手段，發泡劑不僅可以調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，改善其發泡工藝，提高泡沫的流動性，有利于泡沫成型[8]。

硅油是即表面活性劑起乳化泡沫物料，穩定泡沫和調節泡孔的作用，有助于氣泡的形成，控制泡孔的大小及均勻性，促使泡沫泡孔凝膠張力的平衡，使泡孔壁具有彈性，以留住氣體，防止泡沫崩塌。因此對泡沫產品的性能特別是板材平整度、均勻度有較大影響。

3.3 生產工藝參數

聚氨酯組合料澆注時澆注量為10～2000 g/s，聚氨酯組合料澆注時溫度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯組合料經發泡機系統槍頭澆注時，發泡機系統槍頭的壓力控制在3～20 MPa；雙履帶層壓機機構的鏈板溫度控制在35～80℃，聚氨酯組合料的熟化溫度控制在35～65℃，熟化時間控制在5～60 min。連續板材生產速度控制為1～60 m/s時[4]，生產聚氨酯泡沫塑料板材質量較好。

4 成品及泡沫塑料物性檢測

聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材成品見圖4。

圖4 聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材

聚氨酯泡沫塑料物性檢測結果見表3。

表3 聚氨酯泡沫塑料物性檢測結果

4 結論

（1）本文通過測試對比不同組合聚醚的時間與泡沫增長高度、速度、溫度、壓力的關系曲線的方法選擇合適的組合聚醚原料。

（2）聚氨酯組合料澆注時澆注量為10～2000 g/s，聚氨酯組合料澆注時溫度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯組合料經發泡機系統槍頭澆注時，發泡機系統槍頭的壓力控制在3～20 MPa；雙履帶層壓機機構的鏈板溫度控制在35～80℃，聚氨酯組合料的熟化溫度控制在35～65℃，熟化時間控制在5～60 min。連續板材生產速度控制為1～60 m/s時[4]，生產聚氨酯泡沫塑料板材質量較好。

（3）聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材成品可以工業化大規模生產，泡沫塑料密度抗壓強度269.70 kPa；密度 45.21 kg/m3；尺寸穩定性 0.38%（70℃ ,48 h）、0.32%（-30℃ ,48 h）；導熱系數 0.021 W/m.k（25℃）；氧指數30.2%。