冷藏車閉式和開式澆注發泡工藝對比

江蘇宏昌天馬物流裝備有限公司 趙洪濤 劉現偉 張保寬

在大型冷藏車生產線上對比了閉式和開式澆注發泡工藝。測試結果表明開式澆注發泡工藝在泡沫密度和性能分布等方面優于閉式澆注發泡工藝，尤其是閉式發泡工藝存在的氣泡問題得到明顯改善。

國家高度重視冷鏈物流發展[1]，冷鏈運輸裝備是這個產業中非常關鍵的一個環節，為了提高運輸效率，冷藏車技術人員必須制作出廂內空間利用率最大、整車重量最小、保溫效果最好的物流裝備，使用更少的燃料運輸更多的貨物[2]。

聚氨酯硬質泡沫是一種有效的絕熱材料，它的使用方法是通過發泡機把黑白料混合并注入到模具空腔中，聚氨酯硬泡膨脹并充滿整個模具空間。聚氨酯硬泡作為為隔熱材料，尤其能滿足特殊結構或形狀的板材制作，使用非常靈活方便[3]。

國內部分冷鏈運輸裝備生產廠家的制板方法采用閉式澆注發泡，聚氨酯硬質泡沫切片樹脂膠粘結，結構膠粘結等工藝。歐洲和美國冷鏈運輸裝備主要生產廠家有Schmitz、Krone、Kogel、Utility和Great Dane等[4]，這些企業制板工藝都是澆注發泡工藝。與國內發泡工藝不同的是Schmitz Krone這兩家高端掛車制造商已經升級為自動化程度更高的開式澆注工藝，開式澆注工藝是現今冷藏車最新的技術路線。

聚氨酯發泡原理

硬質聚氨酯泡沫的生產需要兩種主要的液體成分——多元醇和異氰酸酯，也就是通常說的白料和黑料。發泡劑通常與反應催化劑、泡沫穩定劑和阻燃劑等助劑一起加入多元醇混合液中，統稱為白料。多元醇與異氰酸酯反應產生熱量，使發泡劑汽化，因此液態混合物膨脹成泡沫，汽化后的發泡劑被包裹在聚氨酯泡孔中，反應完全熟化后，發泡劑與聚氨酯一起形成了穩定的、具有一定強度的保溫材料。另外為了保持流動性和控制密度，通常多元醇會加一定份數的水。

在聚氨酯泡沫形成過程中，主要反應如下[5][6]：

（1）異氰酸酯和羥基反應，多異氰酸酯和多元醇（聚醚、聚酯或其他多元醇）反應生產聚氨酯，方程式如圖1所示。

圖1 聚氨酯反應方程式

（2）異氰酸酯和水反應，帶有異氰酸基團的化合物與水反應，生產聚脲并放出二氧化碳，方程式如圖2所示。

圖2 異氰酸酯-水反應方程式

閉式澆注發泡工藝和開式澆注發泡工藝介紹

1 閉式澆注發泡工藝

傳統的閉式澆注發泡工藝方法：操作人員先在模具上用面材制作成一個封閉的空腔，側面預留注料孔和排氣孔；啟動高壓發泡機，傾斜模具，往模具空腔內注入設定量的泡沫原料，待泡沫膨脹充滿模具熟化一定時間后脫模，取出制品。當板材長度超過6m時或注料時長超過發泡的乳白時間（Creaming time）時，經常會采用分腔注料的方式：即模具空腔中間用穩固的隔離筋對模具空腔進行分割，操作人員手持注料槍頭分多次向模具內注料，如圖3所示。

圖3 閉式注料方式示意圖

2 開式澆注發泡工藝

開式澆注發泡工藝方法：在圖4中工作臺車1上進行板材支模，制作上方敞口的空腔，上蒙皮置于服務臺車4，計算需要投入的聚氨酯發泡料總量，起始注料位置和結束注料位置，以上三個參數輸入到控制系統中，然后啟動設備，服務臺車4會載著上蒙皮自動進入壓機3中，把上蒙皮吸附在壓機上模板表面，工作臺車1根據提供的參數自動計算移動速度，勻速進入到壓機中并在運行中完成發泡料的注入。澆注結束后，工作臺車1完全進入壓機3內設定位置，壓機3閉合，上蒙皮覆蓋在模具上面，泡沫在模具內膨脹發泡，經過一定的時間后取出制品。

圖4 開式澆注發泡設備示意圖

發泡料通過橫向的多孔管涂布在移動的板材內，如圖5所示。

圖5 開式澆注發泡注料方式示意圖

兩種發泡工藝對比

1 泡沫樣品制備方法

制備2塊尺寸為5000mm×2300mm×80mm的封閉空腔，用于對比兩種發泡工藝。

原料：多元醇使用開式工藝專用組合聚醚原料，異氰酸酯使用DESMODUR ? 44V20L。

發泡機：A350型發泡機。

工藝參數：自由密度29kg/m3，注入密度50kg/m3，總注料量為m =46kg，計算方法：m=ρ×V。ρ=50kg/m3，V=2.3m×5m×0.08m=0.92m3。

原料溫度控制在23～25℃。模具溫度：34～36℃。

開式澆注：槍頭流量2kg/s，多孔管長度2000mm，孔徑10mm，間距80mm。

閉式澆注：槍頭流量2kg/s，注料位于板材中間位置，模具傾斜角度：8?。

脫模時間均為30min。

閉式和開式澆注工藝均采用單槍注料，開式澆注發泡料涂布尺寸如圖6。

脫模后比較兩塊泡沫板的密度、表面氣泡特征、導熱系數、壓縮強度。

圖6 開式發泡澆注尺寸圖

泡沫密度按GB/T 6343-2009測試；

泡沫的壓縮強度按GB 8813測試；

泡沫的導熱系數按照GB 3399測試；

泡沫表面氣泡評估按目測來定。

2 測試結果

2.1 密度分布

選取板材前、中、后，9個位置取樣測量密度（見圖7、8）。

2.2 表面氣泡

選取閉式和開式相同位置表面狀態比較。

通過圖9可以看出，閉式澆注泡沫樣品角部泡沫拉絲嚴重，氣孔多，顏色較深，開式澆注泡沫樣品整體氣泡少，顏色更加均勻。

圖7 閉式澆注泡沫樣品密度分布圖

圖8 開式澆注泡沫樣品密度分布圖

表1 密度分布結果

圖9 閉式和開式澆注泡沫樣品表面氣泡對比圖

圖10 閉式和開式澆注泡沫樣品上表面狀態對比

圖11 閉式和開式澆注泡沫樣品截面對比圖

通過圖10可以看出，閉式澆注泡沫樣品表面氣孔多。

通過圖11可以看出，閉式澆注截面氣孔體積較多而且較大，開式澆注更加細膩。

2.3 物理性能對比

表2 熱學和力學性能結果

3 結果分析

對比兩種發泡工藝，最大的差別在于兩者的反應原料注入方式不同，導致泡沫的流動距離不一樣。

從圖12可以看出發泡液從起發點到結束點流動距離L1經過計算為3390mm。從圖13可以看出，開式澆注發泡工藝過程中發泡液通過設備已經預先分布在板材的下表面，經過計算水平方向流動距離L2=150mm，垂直方向流動距離L3=170mm。

綜上所述，泡沫的流動距離越長，發泡料在向前流動的過程中反應動力逐漸減弱，到末端時反應動力減小，泡沫處于拉絲狀態，泡沫向前翻滾，包裹很多空氣，形成發泡缺陷，泡沫密度也不均勻。而開式澆注發泡工藝通過改變注料方式，有效減少泡沫的流動距離，保證了泡沫的反應動力足夠填滿空腔，泡沫短時間內就可以充滿空腔，密度分布也更加均勻。

結語

本文通過兩種工藝的介紹和比較以及實驗結果可以得出以下結論：

圖12 閉式發泡-流動示意圖

圖13 開式發泡-流動示意圖

a.開式澆注發泡工藝由于采用全自動化的注料方式，在效率、人員操作安全性方面有明顯優勢。

b.開式工藝狀態下的泡沫流動距離較短，末端反應動力足，能夠有效排出空腔中的空氣，解決了閉式工藝長期解決不了的空泡的問題。

c.由于開式發泡在注料時均勻地涂布在板材上面，形成的泡沫密度分布均，整體保溫效果好。