全水發泡在太陽能熱水系統中的應用

路 靈

(山東華宇工學院,山東 德州 253000)

0 引言

太陽能熱水系統水箱發泡采用聚氨酯發泡工藝,保溫效果好,能滿足系統性能需求。聚氨酯由異氰酸酯與組合聚醚反應制得。異氰酸酯俗稱黑料,組合聚醚俗稱白料,二者反應生成物俗稱發泡料。20世紀50年代末,氯氟烴類(CFCS)發泡劑作為主要材料應用于聚氨酯硬質泡沫塑料中,CFC-11是第一代發泡劑,具有不燃、無毒、化學性質穩定等優點,是綜合性能極佳的理想發泡劑,但會破壞臭氧層,引發溫室效應。據《蒙特利爾議定書》規定,CFC類物質已被全面禁止使用[1]。作為氫氟烴(HFCS)發泡劑的代表,第二代發泡劑HCFC-41b隨之誕生,但其具有一定的除臭氧功能。20世紀90年代初,烷烴類發泡劑正式投入工業生產,主要以戊烷類物質為主[2]。

太陽能生產廠家保溫水箱大部分使用聚氨酯發泡,主要采用HCFC-41b含氟發泡劑,生產過程中會產生對大氣臭氧層具有耗散作用的有害物質,故需研究常規發泡料替代技術。目前主要采用環戊烷做發泡劑,但其具有易燃易爆特性,工藝要求嚴格,需重新改造發泡線,費用較大,安全隱患較多。HCFC-41b發泡體原理為黑料與白料物理反應,其中白料中的催化劑為HCFC-41b,高溫氣化產生氣體存在于聚氨酯保溫材料料孔內,起到保溫作用。全水發泡料發泡原理為黑料與白料化學反應,白料中的發泡劑為全水材料,是一種含水的混合物,會產生CO2,發泡料泡孔中為CO2空氣,故相對于傳統的HCFC-41b聚氨酯發泡來說,整個發泡體系不同。全水發泡是替代HCFC-41b的主要方法之一,用水發泡可生成CO2,形成泡孔,CO2不燃,無氣味,無毒性,故用水作發泡劑更環保,更安全。水用量不同,產生的氣體量不同,可得到不同密度的硬泡[3]。全水發泡不使用物理發泡劑,沒有易燃易爆有毒危險品,適合各種條件及復雜環境中的保溫施工及使用,無需特別改造原有的HCFC-41b設備,組合聚醚中不含低沸點的發泡劑,可在較高的溫度范圍內使用,不受溫度及環境因素的影響,經濟成本較低[4]。

1 全水發泡試驗的注意事項及過程

1.1 試驗的注意事項

全水發泡替代HCFC-41b項目立項后進行樣機試驗,料性穩定后進行小批試制,再進行批量生產,直至全部切換為全水發泡。產品研發周期至少2年,而太陽能熱水系統上市后還需通過一年的驗證,其水箱使用環境惡劣,大部分在室外,風吹日曬,北方很多地區冬季最低氣溫達-20 ℃以下,夏季為30 ℃～40 ℃,而高溫對發泡材料要求較高,故需具有耐高溫穩定性及耐低溫穩定性,不發生變形且不能影響保溫性能。其中尺寸穩定性是一個重要指標,出廠前必須進行模擬實驗、整機性能實驗及空曬實驗等。太陽能熱水器水箱內膽空曬溫度可能達300 ℃以上,發泡料會因高溫而發生變形及碳化,這是新型發泡料需要解決的重要技術問題。進行生產線改造時需考慮原生產線的利用情況及投入產出比,盡量節約成本,故在原來HCFC-Hlb發泡劑基礎上改進升級,令其適用于全水發泡劑的生產。發泡劑存放倉庫增加恒溫空調系統,為發泡生產線安裝空調系統。按照發泡劑廠家參數要求進行工藝驗證,制定試驗大綱,進行相關試驗。

1.2 試驗項目及方法

1.2.1 自由泡密度檢測

檢測器具：電子攪拌器、塑料燒杯、水銀溫度表、盛黑白料的料杯、壁紙刀、電子秤。

取樣：用專用工具打開黑、白料桶端部封蓋,分別取約80 g的黑、白料,放入料盒內,做好黑白料標識,取料完畢,分別將黑、白料桶封蓋封嚴。

料溫調整：料溫調整到20 ℃～23 ℃,環境溫度25 ℃±5 ℃。

電子秤調整：電子秤必須調整到水平狀態,歸零。

稱量：黑白料溫度調整到要求后將塑料燒杯放在電子秤上歸零,向塑料燒杯中倒入100 g±0.5 g的白料,再倒入125 g±0.5 g的黑料。

攪拌：清理干凈攪拌器攪拌頭余料,調節攪拌器指針指向刻度6,即攪拌器轉速3000 r/min。將攪拌器攪拌頭浸入盛黑、白料的塑料燒杯內,攪拌頭不能接觸燒杯周壁及底部,塑料燒杯不能晃動,打開攪拌器開關攪拌8 s后迅速關閉攪拌器,將攪拌后的混合料倒入自制紙盒內,令混合料在紙盒內自由起發、固化,固化時間不少于5 min。

制樣：泡沫固化后,用壁紙刀片切去四周硬皮,從泡芯中制取6 g±1 g的樣塊,數量3～5塊。要求樣塊外觀平整,泡孔大小致密均勻,無黑白銀紋現象,顏色呈淺黃色。

1.2.2 損耗檢測

檢測器具：電子秤、塑料袋。

檢測方法：將專用塑料袋放在電子秤上歸零,取一定數量的液體白料放入塑料袋中,再取相同數量的液體黑料放入將塑料袋口封住,迅速讀取電子稱上顯示的刻度M1(液體黑白料的重量),待泡沫固化約5 min后讀取泡沫固體的重量M2。計算[(M1-M2)/M1]×100即為黑白料工藝損耗。

1.2.3 模壓泡壓縮強度檢測

檢測器具與設備：壁紙刀、塑料直尺、2500 N數控拉力試驗機。

模壓塊制作方法：要求模壓塊固體密度與箱體泡的固體密度一致(要求模壓塊的芯密度為38±2 kg/m3)。將模壓塊表皮去掉后制作50 mm×50 mm×50 mm的樣塊,數量3～5塊,樣塊靜置時間不低于24 h。要求模壓塊壓縮方向與泡沫上升方向一致。

檢測方法：按模壓泡壓縮強度作業指導書進行。

1.2.4 模壓泡尺寸穩定性檢測

檢測器具與設備：壁紙刀、砂紙、丁字尺、盒尺、熱空氣老化箱、冰箱。

模壓塊制作方法：要求模壓塊固體密度與箱體泡的固體密度一致。將模壓塊表皮去掉后制作100 mm×100 mm×25 mm的樣塊,數量3～5塊,樣塊靜置24 h后試驗。

檢測方法：按模壓泡尺寸穩定性作業指導書進行檢測。

導熱系數：按導熱系數測試方法進行檢測。

1.2.5 工藝過程自由泡密度檢測

制樣：黑白料溫、料壓符合工藝要求后,用塑料薄膜從高壓槍接料200 g左右,迅速將混合料倒入小紙箱盒內,紙箱盒尺寸約200 mm×200 mm×200 mm,令混合料在紙盒內自由起發、固化,固化時間不少于5 min。

參數測定：混合料從高壓槍打出開始記錄乳白、拉絲、脫黏時間。

稱量、計算方法同上。測試自由泡密度時記錄好環溫、料溫、料壓、料比等參數。

若自由泡密度超過或低于標準值或外觀異常時進行復檢,若復檢后仍不合格,迅速對原料、高壓槍料比進行排查并分析原因,找出對應措施,在密度符合要求后開展實驗。

1.3 水箱低溫試驗

檢測器具及設備：盒尺、低溫冷庫。

檢測方法：水箱達到規定的箱體密度且按工藝要求時間完成熟化后,在不低于20 ℃的條件下靜止24 h,將水箱放進低溫冷庫。低溫試驗條件：-5 ℃,6 h;-25 ℃,66 h。

進行產品整體性能試驗與熱損系數、熱效率測試及水箱承壓強度試驗。

2 全水發泡驗證與實驗結果

經過多年的實驗室驗證,已研發出全水發泡料等一系列替代產品,其在管道保溫、冰箱、混泥土壩防護中均有所應用,但在太陽能熱水器中還沒有得到批量推廣應用。如果將其應用于熱水器水箱中,將大幅度提高生產質量,故需對發泡線進行改進,做樣機驗證,實驗室驗證合格后生產一定數量的全水料,將其應用于太陽能熱水器水箱發泡中。2018—2019年試制全水發泡料,針對發泡后產品出現的料裂、漲皮、脫皮等問題及時進行了參數調整,開展產品小批試制試銷。現對產品驗證參數作如下統計分析。

2018年4月—2019年底共試驗8次,生產900多臺產品,通過多次試驗及不斷改進配方工藝,最終生產出合格的產品并進行試銷跟蹤,部分工藝驗證及實驗結果如下。

時間：2018年4月19-20日。白料：全水發泡料。常規料參數：乳白時間18±3 s,拉絲時間75±10 s,脫黏時間110±15 s,自由泡密度25.5～27.4 kg/m3。現象：開裂、脫皮嚴重,管口氣泡。試驗結果：模壓泡高溫尺寸穩定性不合格,整機冷凍試驗及熱損試驗合格,說明需調整發泡料性能參數,改善管口質量及尺寸的穩定性。

時間：2018年8月16日。白料：全水發泡料。現象：有脫皮、管口缺料現象。試驗結果：整機冷凍試驗及整機熱性能合格。現有全水料在D型線生產,逐臺檢驗,外觀、性能合格。保溫車間報料1.5 t,小批試制。

時間：2019年5月10日。預熱室溫度47 ℃,內膽溫度40 ℃,外皮溫度39 ℃,模具溫度37 ℃。生產100臺。常溫,預熱溫度27 ℃,熟化溫度29 ℃,內膽溫度24 ℃,外皮溫度24 ℃,模具溫度24 ℃。黑白料溫度25 ℃。生產50臺,經2臺預熱與2臺常溫發泡對比冷凍試驗,結果3臺合格,常溫發泡水箱有1臺不合格,說明需控制熟化室溫度才能保證水箱質量合格,即對熟化室進行加熱預熱,但這會增加些制造成本。

3 結束語

全水發泡技術具有環保、安全、工藝簡單、操作簡便、成本合理等優勢,而全水發泡料是替代HCFC-141b的理想材料,可解決環境污染問題。對全水發泡聚氨酯組合聚醚原料、助劑及各項工藝指標進行考核,對原有設備及工藝參數進行調整并用于HCFC-41b發泡生產線上,通過多次工藝驗證及樣件、樣機實驗,按照合格樣品工藝參數進行小批量生產,試銷結果滿足用戶使用需求,問題較少,只有個別高溫脫蓋情況。針對存在的問題,仍需進一步改進全水發泡料,令其適應環境及使用要求。