B1级聚氨酯彩钢夹芯保温板发泡工艺控制及性能测试*

窦忠山 高迎弟 王磊 刘访艺 刘永亮 李晓静

(万华节能科技集团股份有限公司 山东烟台 264006)

彩钢聚氨酯夹芯保温板是由硬质聚氨酯泡沫夹芯层和复合于其两面的彩钢压型板组成,具有良好的阻燃性能、保温性能和环保性能,在冷藏车、保温车厢体、冷库、移动板房、医院、展台等领域得到广泛应用[1]。我国针对建筑材料出台了国家标准GB/T 8624,该标准2012修订版重新划分了阻燃等级。与2006版不同的是,对于平板类建筑材料B1阻燃等级增加了氧指数≥30%的规定,B2阻燃等级增加了氧指数≥26%的规定。

刘访艺等[2]研究了双组分体系软面硬泡板材组合料生产工艺控制及产品性能测试,而本研究是针对B1级六组分体系硬面板材料的生产工艺,用增加异氰酸酯指数及添加物理阻燃剂[3-4]的方法设计配方并试车,讨论了连续线工艺对夹芯板性能的影响。通过优化工艺,成批、稳定生产出外观合格的夹芯板,并按国标对夹芯板的各项性能进行测试。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇8345(羟值450 mgKOH/g),天津康顺化学有限公司;聚酯多元醇PS2002(羟值200 mgKOH/g),南京金陵斯泰潘化学有限公司;复配催化剂A、N,N-二甲基环己胺(PC-8),空气化工产品股份有限公司;三(2-氯异丙基)磷酸酯(TCPP),江苏雅克化工有限公司;复配泡沫稳定剂B,江苏美思德股份有限公司;发泡剂HCFC-141b,浙江三美化工股份有限公司;多异氰酸酯PM-400,万华化学集团股份有限公司;单组分胶黏剂Araldite 2060(改性MDI),亨斯迈聚氨酯(中国)有限公司。

1.2 主要设备与仪器

FPM150型Foamat泡沫起升仪,德国Format公司;OI型氧指数燃烧测试仪,莫蒂斯燃烧技术(中国)有限公司;JCK-3建材可燃性试验炉,南京市江宁区分析仪器厂;101-3AB型电热鼓风干燥箱,天津市泰斯特仪器有限公司;彩钢聚氨酯夹芯保温板连续生产线,其中六组分高压浇注机由意大利赛普有限公司制造,层压机由浙江精功科技股份有限公司制造;WDW-50A型微机控制电子万能试验机,济南天辰试验机制造有限公司。

1.3 配方

聚氨酯硬泡的组合聚醚配方见表1。

表1 B1级聚氨酯硬泡板材组合聚醚配方

按表1配方将原料混合均匀,作为组合聚醚组分(白料)。多异氰酸酯PM-400为另一个组分(黑料)。

将组合聚醚组分和多异氰酸酯组分混合发泡,确定异氰酸酯指数为320。

1.4 测试方法

聚氨酯硬泡的密度按GB/T 6343—2009的方法测定;去皮泡沫的压缩强度按GB/T 8813—2008的方法测定；彩钢板泡沫芯材导热系数按GB 3399—1982的方法测定;泡沫芯材的尺寸稳定性按GB/T 8811—2008的方法测定;垂直于板面方向的拉拔强度按GB 50404—2017的方法测定;氧指数按GB/T 2406—2009的方法测定;泡沫芯材燃烧性能按GB/T 8626—2007的方法测定。

2 结果与讨论

2.1 自由发泡试验

按表1配方准确称取相应的多元醇、阻燃剂、复配催化剂、泡沫稳定剂、水和HCFC-141b于容器中,用手持电钻搅拌搅匀,配成白料。在另一容器中称取相应质量的PM-400作为黑料,采用一步法发泡工艺[2],料温(室温)25 ℃,按照白料与黑料质量比1∶1.6,将黑料迅速倒入白料中,快速搅拌7 s后,记录发泡过程相关时间参数。泡沫成型后,测定硬泡的密度和氧指数,结果见表2。

表2 实验室自由发泡参数及泡沫性能测试结果

2.2 彩钢板连续线生产工艺控制探究

在彩钢聚氨酯夹芯保温板连续生产线上,由于采用了六组分高压浇注机,可以将部分发泡剂HCFC-141b和催化剂PC8分别作为一个组分进行在线调节密度与发泡速度。在连续线生产过程中,工艺参数的选择及调节直接决定了产品的外观与质量。本研究结合生产实际,主要从以下方面探讨相关的工艺参数选择及原因。

2.2.1 彩钢板底板涂胶

为了保证聚氨酯硬泡与彩钢卷材的粘接性,在浇注硬质聚氨酯泡沫组合料之前会有一道在彩钢卷材上喷涂Araldite 2060单组分底涂胶的工序[5]。

2.2.2 彩钢板及枪杆的选取

彩钢板选用环氧底漆涂层,并进行电晕处理,这样有助于钢板底部的粘接及减少底部的泡孔。

本次试车目标产品为10 cm厚、1 m宽的彩钢聚氨酯夹芯保温板,为保证不发生喷溅现象、堵枪头及布料不均匀等问题，根据经验选取枪杆的规格为:长度28 cm、直径14 mm、孔径2 mm,42个孔。

2.2.3 链板温度

链板温度的选择主要考虑泡沫的熟化粘接、彩钢板的表面平整度、生产的操控性三方面。该B1级硬质聚氨酯泡沫的异氰酸酯指数高,需要较高的链板温度保证泡沫熟化以提高彩钢板表面的平整度(改善硬泡表皮熟化有利于提高彩钢板平整度),因此综合考虑生产的操控性、泡沫层熟化粘接效果、连续线节能降耗,可将链板温度设定为60 ℃。

2.2.4 黑料和白料温度

彩钢聚氨酯夹芯保温板生产首先要保证反应的协调性与平稳性,尤其是当生产镜面板时,如果反应不平稳会在彩钢卷材表面形成大量波浪痕。因此,在浇注到卷材上的黑白料起发前最好能均匀地流平以保证各处组合料发泡状态的均一性。综合考虑,将黑料和白料温度设定为25～28 ℃,如果温度过高,组合料混合物有可能未流平便开始起发,而温度过低,则有可能因组合料混合物黏度较高而无法流平,过高的黏度甚至会导致黑白料混合不均。

2.2.5 混合压力

板材生产所用枪头为冲击式混合头,黑料和白料在混合室中以高速对撞的方式进行充分混合,根据实际生产经验,一般将黑料和白料两路的枪头压力设定为13～14 MPa。压力过低会因相互碰撞不足而导致黑白料混合不充分,生产的夹芯板泡沫层出现颜色较深、泡孔大小分布不均、反应不完全导致泡沫收缩等问题出现;压力过高,会使出料速度过快而导致喷溅,高压发泡机也会因长时间超负荷工作而缩减使用寿命。

2.2.6 车速调节

本次试车目标产品为10 cm厚、1 m宽的彩钢聚氨酯夹芯保温板,配料时将部分HCFC-141b单独做一组分用于调节泡沫层密度,全部PC8作为单独一组分用于调节发泡速度。聚醚多元醇、聚酯多元醇、水、复配泡沫稳定剂B的混合物(白料)单独作为一个组分,阻燃剂TCPP单独作为一个组分,复配催化剂A单独作为一个组分。初步设定物料流速分别为:白料100 g/s、PC8 1.3 g/s、HCFC-141b 10 g/s、TCPP 24 g/s、复配催化剂A 2.7 g/s、PM-400 220.8 g/s。生产前进行发泡机打料自由发泡测试,出料温度32.8 ℃,起发时间10 s,拉丝时间35 s,密度38.7 kg/m3。根据生产经验,10 cm厚硬泡聚氨酯板正常投料密度约比自由泡密度高6 kg/m3左右,初步计算线速4.1 m/min。以3.9 m/min线速起步,调节线速、枪头摆幅、HCFC-141b及PC8流量,保证发泡混合料形成的发泡线不翻滚、不呈波浪线起伏,最终稳定保持为一条均匀的直线即调试完毕。经反复调节,最终确定线速为4.23 m/min,HCFC-141b流量为9 g/s,PC8流量1.2 g/s。

2.2.7 枪头类型选取

枪头的设置方式有摆动式和固定式。枪头方式的选取是影响组合料在卷材分布均匀性的重要因素[4],是线速调节中的一个重要参数。

(1)摆动式的枪头

优点:泡沫平铺性好,产品密度比较均匀,适合生产要求低速低投料量的产品。

缺点:各处铺料层的泡沫发泡状态不一,容易导致泡沫内部及泡沫与上彩钢板界面有气泡(如图1所示),硬面板表面容易起波浪纹(B1级与B2级尤其明显),表面不平整,不利于泡沫的粘接性,不适宜于生产要求高速高投料量的产品。

图1 摆幅过慢造成的规律性波浪纹

(2)固定式枪头

固定式枪头的出料方式见图2。

图2 固定式枪头

优点:出料量多,能满足生产高厚度、高车速条件下的产品,生产效率明显提高,做出的产品表面平整度高,特别适用于硬面冷库板的生产。

缺点:平铺性略微比摆动式的差;产品宽度方向会有接缝,影响美观;枪头安装复杂,价格昂贵。

本工作选取固定式枪头进行生产。

2.2.8 拉丝时间与触板时间调节

根据现场经验,不同体系的泡沫拉丝时间与触板时间(泡沫上升刚好接触到上链板的时间)关系如下:聚氨酯硬泡体系混合物料接触上板时间比拉丝时间早3～6 s,聚异氰脲酸酯(PIR)硬泡体系混合物料接触上板时间比拉丝时间早1～3 s。

本次试车所用体系为PIR体系,通过调节料温及PC-8的用量,维持触板时间及拉丝时间间隔在2～3 s。时间间隔小会导致投料密度过大或上板填充不满;时间间隔大,泡沫在层压机中过度翻滚导致泡沫收缩或上表面开裂(见图3)。

图3 过度翻滚导致表面开裂

2.3 连续法彩钢聚氨酯夹芯保温板的性能

2.3.1 密度

对稳定生产的室温下熟化3 d后的彩钢聚氨酯夹芯保温板去彩钢卷材,分别在泡沫夹芯层宽度方向上的两边及中心点取样进行测试,结果见表3。

表3 聚氨酯硬泡夹芯层的密度测试结果

由表3可见,泡沫层密度较为均匀,说明此次实验生产线相关工艺参数与发泡速度相匹配,经计算此次实验投料密度约为43.5 kg/m3,符合预期。

2.3.2 导热系数

采用成核性好的有机硅匀泡剂、提高白料中聚酯多元醇的比例、适当提高黑/白料比、生产时黑白料高压混合充分及加气等措施可以使生产的夹芯板中聚氨酯泡孔更加细腻均一,增加泡沫的绝热性。经测试,聚氨酯硬泡层的导热系数为 0.022 W/(m·K)。

2.3.3 可燃性

聚氨酯硬泡的燃烧性能测试结果见表4。

表4 聚氨酯硬泡夹芯层燃烧性能的测试结果

按GB/T 8624—2012,表4结果表明本次实验彩钢板泡沫芯材燃烧性能达到B1级中的C级标准。

2.3.4 压缩和拉拔性能

在夹芯板宽度方向分别在中间及左右两侧起1/4的位置取样做压缩、拉拔测试,结果见表5。压缩强度及拉拔强度符合国标GB/T 8624—2012要求。

表5 压缩强度和拉拔强度测试结果

2.3.5 尺寸稳定性

在70 ℃、90%RH条件下对夹芯板硬质泡沫芯材进行尺寸稳定性测试。48 h后泡沫芯材在长、宽、厚方向上的尺寸变化率分别为0.3%、0.3%和0.6%,符合GB/T 8624—2012中不高于1%的要求。

3 结论

(1)聚氨酯板材生产中,枪头运动方式要根据实际产品工艺要求来选取。生产厚度比较小、车速要求不快、对平面平整度要求不高的产品可选取摆动式枪头;生产厚度比较大、车速要求快、表面平整度要求高的产品应选取固定式枪头。

(2)为避免钢板使用过程中出现鼓包,配方研发过程中应选用成核性及稳泡效果较好的匀泡剂。

(3)对于六组分发泡体系要注意各组分工艺参数的调节,原则是保持一个组分变量,其他组分为不变量进行调节。

(4)B1级阻燃彩钢板聚氨酯夹心板的工艺选择性要求比软面聚氨酯夹心板高,工艺更难控制。