硬質聚氨酯發泡成型探討

張俊兵

(太原市熱力實業有限公司，山西太原 030013)

1 概述

近幾十年來，在生產和生活的各個領域，硬質聚氨酯泡沫的產量年增長速度十分迅猛。有大量的氣體、液體需要保溫、保冷的條件下運輸、儲存和輸送。對于這些容器、設備、管線的保溫、保冷，傳統的保溫、保冷材料，如石棉、礦渣棉、珍珠巖、鋸末、瀝青、玻璃纖維等，都存在許多缺點，這些保溫材料施工程序復雜，操作不便，有些材料對施工人員的健康還有較大危害。另外，這些保溫材料的熱導率較高，絕熱效果差，能量損耗嚴重，使用壽命較短。相比之下，聚氨酯硬質泡沫熱導率最低，并能很好地摒棄傳統保溫材料的缺點，尤其在材料絕熱性能方面是其他保溫材料無法與之相比的。其主要應用于建筑和集中供熱行業，其次用于冰箱冰柜等制冷設備以及運輸業的絕熱保溫材料。

隨著硬質聚氨酯泡沫生產的逐漸成熟，市場供應的擴大，研究工作不斷深入，新品種、新工藝研發、新設備的改進，使硬質聚氨酯泡沫塑料得到了全面發展。在硬質聚氨酯泡沫制品的制備工藝技術方面，提出更高要求。普遍采用大型發泡設備，進行大規模化、連續化、自動化、系列化提高勞動生產率，降低成本，減少原料單耗，采用計算機控制物料溫度、流量、流速等各種參數來調整制得更優質的聚氨酯泡沫。

2 硬質聚氨酯泡沫的優點

1)絕熱效果好。使用聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡，不僅保溫層薄而輕，而且絕熱效果優異。

2)聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡具有很高的閉孔率，并能生產密實的外表皮層，不易滲水，防水效果好。

3)熱穩定性能好，工作溫度范圍廣。新型聚氨酯硬泡和聚異氰尿酸脂硬泡保溫層可以在150℃工況條件下長期工作，服務期可達25年之久。

4)耐化學性能好，不僅耐熱保溫，而且具有較好的防腐功能。

5)可以在工廠中進行大規模機械化生產，效率高，質量好;施工簡單方便，對施工人員的健康無損傷、安全、可靠。

3 硬質聚氨酯發泡工藝與成型

硬質聚氨酯泡沫塑料發泡分三種:預聚體法、半預聚體法、一步法。

1)預聚體法:通常是把等份的聚醚和異氰酸酯混合反應生成低分子聚合物預聚體，然后，將水和預聚體在攪拌下反應生成脲基，形成高聚物。由于在反應中生成二氧化碳，形成鏈增長發泡生成泡沫塑料。

2)半預聚體法制預聚體:是把一部分聚醚和過量異氰酸酯混合反應，生成由一定粘度的低分子量聚合物，將多余部分的聚醚與水、催化劑和表面活性劑高速攪拌混合均勻后形成的硬質或半硬質泡沫塑料。

3)一步法:是把聚醚、異氰酸酯及其他組分同時全部混合而制得泡沫塑料。一步法制造工藝簡單易操作，不經加工可直接使用，能在室溫下進行，各原料相互間的混溶性好發泡后的制品性能優良。

硬質聚氨酯泡沫塑料的發泡工藝通常在發泡設備中將聚醚或聚合多元醇、異氰酸酯、水、催化劑、表面活性劑等按比例配方混合制成液體原料，具有一定粘度，在高速攪拌混合后反應，分別由計量泵按比例在混合室內高速混合，噴射到模具制備中，在一定溫度下固化后形成聚氨酯泡沫塑料。現在工業制造中多用一步法來制得不同支鏈類型的預聚體。

硬質聚氨酯泡沫塑料最簡單的發泡成型方法是手工發泡法，原料按比例置于一容器中，高速攪拌混合均勻，注入充填泡沫塑料的空間中，待化學反應固化完形成聚氨酯泡沫，其原料利用率低，適用于在實驗室中的科研、現場臨時施工。然而在大批量生產中則采用機械發泡，有:塊狀發泡連續成型、澆筑發泡、噴涂發泡等工藝。最通用的成型方法是澆筑發泡、噴涂發泡、連續成型發泡。不同發泡工藝制得的泡沫性能也大不同，形狀、外觀等也不同。

4 硬質聚氨酯發泡成型的影響

1)原料:聚醚和聚酯都作為發泡成型的組分。聚醚多元醇與異氰酸酯的比例不同，可制得軟質泡沫、半硬質泡沫、硬質泡沫。原料溫度的高低直接影響計量配比的精準性，同時影響物料粘度大小。一旦粘度變化，導致計量泵的輸出精度發生變化，嚴重影響制品的質量。聚醚多元醇組分偏大，所得泡沫塑料軟，高溫下尺寸穩定性差;異氰酸酯組分偏高，泡沫塑料硬而脆。

2)溫度:發泡成型過程中，料溫和環境溫度的高低直接影響泡沫塑料制品的質量。而長期儲存和溫度變化對異氰酸酯也很不利。異氰酸酯中二聚物的存在，使異氰酸酯變化得渾濁不清，也干擾正常反應。在生產中，溫度低，發泡反應緩慢，泡沫固化時間長;溫度高，則發泡反應快，泡沫固化時間短。

3)注射溫度、速度和壓力:在注模之前，要進行高壓循環，以致物料溫度因高壓運動，使溫度上升，所以注料溫度與原料貯藏溫度是不同的。它取決于循環時間與壓力，注料速度對原料的混合產生較大影響。一般注料速度快和沖壓高，可制得優質泡沫制品。

4)模具溫度:是發泡成型的關鍵因素，可直接影響泡沫的乳白、拉絲、不粘、固化速度，因此必須嚴格控制。發泡成型是一個化學反應放熱過程，放出的熱量使發泡劑汽化，在聚氨酯填充空腔中翻滾擠壓而形成含有不規則大小泡孔的泡沫。模溫是較重要的工藝參數，不僅影響反應熱移走的速度，還影響成型時長，對密度、表層厚度及尺寸穩定性都會產生不良影響。發泡成型過程中發泡劑反應放熱，形成聚合物在填充空腔中互相推擠、翻滾、爬升與模具表面接觸，泡孔破裂經擠壓塌泡形成密實層。模具溫度高，則形成極薄的表層，不能滿足上色要求，制件表面易產生劣跡;溫度低，則發泡倍率小，結皮過厚，將降低熱傳導率。

5)固化時間:泡沫塑料固化后，在一定溫度下放置的過程，目的是讓發泡反應進行完全，得到良好的制品。在注入模具內時，應把發泡料和模具加熱，完成發泡反應后存放于較高溫度的環境中。溫度越高，固化時間越短。溫度低，固化時間長，熟化不充分，泡沫塑料強度達不到應有的要求。原料品種與制件形狀尺寸不同，所需固化時間與溫度也不同。

6)混合:發泡成型時，混合效率是一個很關鍵因素。根據原料的特性，調整發泡設備的計量比例、料溫達到充分混合的目的。混合均勻，泡沫塑料泡孔細而均勻;混合不好，泡孔粗而不均勻，甚至在局部范圍內出現化學反應不充分現象，大大影響制品質量。

7)模具發泡成型時，由于聚醚和異氰酸酯反應生成二氧化碳氣體，聚合物膨脹產生一定內壓力。模具制約著泡沫形態的發展，應有足夠的強度和內表面光滑度，以便保證泡沫全部填充滿，不會在發泡后期造成泡沫開裂和中空，使泡沫在模具中分布均勻、密實。還應在合理的位置開設注料口、排氣口，可以合理避免局部大泡孔和收縮的出現。

5 結語

在不同行業領域中硬質聚氨酯泡沫產業得到了迅速發展。對硬質聚氨酯泡沫品質要求越來越高，因此針對不同原料，通過改變配方、提高發泡設備精準度及發泡成型工藝來制備各種不同密度、不同性能，滿足不同應用的硬質聚氨酯泡沫塑料制品。