王耀西，王磊，羅曉明

(萬華節(jié)能科技集團(tuán)股份有限公司，山東 煙臺 264002)

聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料的閉孔結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)越的保溫效果（100 mm厚的PU硬質(zhì)泡沫塑料的保溫效果約相當(dāng)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(zhì)泡沫塑料板材還具有重量輕、耐熱性好、燃燒不產(chǎn)生熔滴等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于廠房、機(jī)場候機(jī)廳、停車場等建筑的屋頂和墻面保溫隔熱。另外，我國北方現(xiàn)有住宅90%以上為混合結(jié)構(gòu)，建筑外墻的能源效率僅為國外先進(jìn)水平的18%，單位建筑面積采暖能耗為國外先進(jìn)水平的3倍[2]。隨著建筑節(jié)能工作的大力開展，聚氨酯泡沫塑料復(fù)合板作為保溫隔熱效果最好的材料之一，擁有不錯(cuò)的市場前景。但是聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料目前阻燃等級只能達(dá)到B1級難燃，還不能滿足GB 50016—2014 建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)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(zhì)泡沫塑料在建筑保溫領(lǐng)域應(yīng)用的最大難題。

本文研究的聚氨酯泡沫塑料高阻燃復(fù)合板（圖1）不僅擁有聚氨酯泡沫塑料板的保溫效果和質(zhì)輕、耐水等優(yōu)點(diǎn)，而且面向應(yīng)用的結(jié)構(gòu)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(fù)合板連續(xù)生產(chǎn)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(fù)合成型的設(shè)備與工藝，實(shí)現(xiàn)了聚氨酯泡沫塑料高阻燃復(fù)合板的工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1 聚氨酯泡沫塑料高阻燃復(fù)合板構(gòu)造圖

1 聚氨酯泡沫塑料實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚醚元醇R2470M（羥值450～500 mg KOH/g），萬華化學(xué)（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(xué)有限公司；發(fā)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(xué)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(huán)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(jī)硅勻泡劑L6950，邁圖高新材料集團(tuán)。以上均為工業(yè)級。

1.2 主要測試儀器

CMT 4204型萬能試驗(yàn)機(jī)，深圳市新三思計(jì)量技術(shù)有限公司；JF-3型氧指數(shù)測定儀，南京江寧分析儀器廠；HC-074-200型熱導(dǎo)率儀，美國LaserComp公司；發(fā)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(wěn)定劑、催化劑和發(fā)泡劑按比例配制成組合聚醚，與一定量的PM200混合，立即充分?jǐn)嚢瑁ㄞD(zhuǎn)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(fā)泡參數(shù)。試樣固化5 min后脫模，在室溫下熟化48 h后，檢測產(chǎn)品性能。

1.4 測試與表征

按照GB/T 6343—1995標(biāo)準(zhǔn)測試泡沫表觀芯密度；按照GB/T 8811—2008標(biāo)準(zhǔn)測試尺寸穩(wěn)定性；按照GB/T 8813—2008標(biāo)準(zhǔn)測試壓縮強(qiáng)度。導(dǎo)熱系數(shù)按照GB /T 10295—2008 標(biāo)準(zhǔn)測試; 氧指數(shù)按照GB/T2406.1—2008標(biāo)準(zhǔn)測試。

2 生產(chǎn)設(shè)備與工藝

2.1 生產(chǎn)設(shè)備

生產(chǎn)設(shè)備以鎮(zhèn)江奧力機(jī)械有限公司聚氨酯泡沫塑料連續(xù)板材生產(chǎn)線（圖2）[3]為基礎(chǔ)改造而來，增加巖棉翻轉(zhuǎn)、傳送裝置、巖棉側(cè)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(jī)構(gòu)，初步黏接機(jī)構(gòu)包括設(shè)于傳送履帶左側(cè)正上方的噴膠裝置等。

2.2 生產(chǎn)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(jī)儲料罐備用[4]。

圖2 聚氨酯泡沫塑料連續(xù)板材生產(chǎn)線示意圖

（2）將彩鋼板卷安裝在開卷機(jī)上，使用壓型機(jī)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(yùn)行傳遞。

（3）將巖棉置于傳送履帶上，由傳送履帶運(yùn)行傳遞。

（4）噴膠機(jī)儲料罐內(nèi)的膠黏劑通過噴膠機(jī)槍頭均勻地澆注于彩鋼板上，已噴膠的彩鋼板在向前運(yùn)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(xù)沿著傳送履帶向前運(yùn)行，儲料罐內(nèi)的聚氨酯組合料經(jīng)發(fā)泡機(jī)槍頭直接在巖棉與彩鋼板的復(fù)合體上澆注。

（6）澆注工序結(jié)束后，傳送履帶將復(fù)合體送入雙履帶層壓機(jī)構(gòu)內(nèi)，并在雙履帶層壓機(jī)構(gòu)內(nèi)完成聚氨酯組合料的發(fā)泡成型與熟化，使聚氨酯組合料反應(yīng)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(fù)合板。

（7）在線切割并包裝。

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫塑料發(fā)泡曲線的影響

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

從圖3可以看，物料高度-時(shí)間曲線形狀大致相同，斜率有所區(qū)別。物料增長速度-時(shí)間曲線變化很大，藍(lán)色、黑色曲線是一個(gè)峰比較突出，紫色、紅色與藍(lán)黑色曲線都有很明顯的兩個(gè)峰。如只有一個(gè)峰，峰呈現(xiàn)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(chǎn)工藝的調(diào)整；如果兩個(gè)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(chǎn)工藝的調(diào)整，如兩個(gè)峰融合在一起，整個(gè)圖形呈現(xiàn)梯形，在梯形的左側(cè)邊泡沫還沒有進(jìn)入壓機(jī)，梯形右側(cè)邊泡沫已經(jīng)凝膠，泡沫增長高度已到90%左右，泡沫在壓機(jī)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(chǎn)工藝的調(diào)整，從圖3可以看，紅色，藍(lán)黑色曲線表現(xiàn)較好。

不同原料的乳白時(shí)間不等，如用乳白時(shí)間到纖維時(shí)間的時(shí)間間隔長短來衡量發(fā)泡流動性的優(yōu)劣，間隔時(shí)間長意味著在纖維時(shí)間之前有較充裕的時(shí)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(shí)間到不黏時(shí)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(yīng)快，脫模時(shí)間可相應(yīng)縮短[5]。從圖3可以看，不同組合聚醚體系拉絲時(shí)的高度占泡沫整體高度的比例見表2，黑色與藍(lán)黑色表現(xiàn)最好：

圖 3 不同組合聚醚體系的發(fā)泡曲線對比

表2 物料拉絲時(shí)的高度占泡沫整體高度的比例

從不同組合聚醚體系的發(fā)泡曲線對比，我們選擇了兩方面表現(xiàn)均比較優(yōu)秀的藍(lán)黑色。

3.2 泡沫塑料助劑的影響

在硬泡板材的連續(xù)生產(chǎn)中，泡沫在腔體內(nèi)是否均勻、泡沫勻細(xì)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(guān)系到泡沫與腔壁黏接牢固程度、泡沫尺寸穩(wěn)定性等，而這些因素與催化劑的使用有很大關(guān)系[6]。只有充分了解各種催化劑的性能，恰當(dāng)?shù)仄ヅ洳煌δ艽呋瘎┑挠昧?，使發(fā)泡體系中各種反應(yīng)的速度達(dá)到平衡，才能有效提高體系的流動性，改善泡沫的性能[7]。

發(fā)泡劑水、HCFC-141b的調(diào)節(jié)，也可以作為改善物料的流動性的輔助手段，發(fā)泡劑不僅可以調(diào)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(fā)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(wěn)定泡沫和調(diào)節(jié)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(chǎn)品的性能特別是板材平整度、均勻度有較大影響。

3.3 生產(chǎn)工藝參數(shù)

聚氨酯組合料澆注時(shí)澆注量為10～2000 g/s，聚氨酯組合料澆注時(shí)溫度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯組合料經(jīng)發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)槍頭澆注時(shí)，發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)槍頭的壓力控制在3～20 MPa；雙履帶層壓機(jī)機(jī)構(gòu)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(shí)間控制在5～60 min。連續(xù)板材生產(chǎn)速度控制為1～60 m/s時(shí)[4]，生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料板材質(zhì)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(jié)果見表3。

表3 聚氨酯泡沫塑料物性檢測結(jié)果

4 結(jié)論

（1）本文通過測試對比不同組合聚醚的時(shí)間與泡沫增長高度、速度、溫度、壓力的關(guān)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(shí)澆注量為10～2000 g/s，聚氨酯組合料澆注時(shí)溫度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯組合料經(jīng)發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)槍頭澆注時(shí)，發(fā)泡機(jī)系統(tǒng)槍頭的壓力控制在3～20 MPa；雙履帶層壓機(jī)機(jī)構(gòu)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(shí)間控制在5～60 min。連續(xù)板材生產(chǎn)速度控制為1～60 m/s時(shí)[4]，生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料板材質(zhì)量較好。

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