连续板材用聚氨酯硬泡泡沫生长速率研究

2020-09-08李晓静窦忠山刘永亮

山西化工 2020年4期

韩玲, 李晓静, 王磊, 窦忠山, 刘永亮, 郭磊

(1.万华节能科技集团股份有限公司，山东烟台 264000；2.鲁东大学，山东烟台 264025)

聚氨酯硬泡是一种具有保温与防水功能的新型合成材料，其导热系数低，仅0.022 W/(m·k)～0.033 W/(m·k)，它的闭孔结构使其具有优越的保温效果，是所有保温材料中导热系数最低的。硬质聚氨酯泡沫塑料主要应用在建筑物外墙保温、屋面防水保温一体化、冷库保温隔热、管道保温材料、建筑板材、冷藏车及冷库隔热材等。我国目前建筑外墙的能源效率仅为欧美水平的18%，单位建筑面积采暖能耗为欧美水平的3倍[1]。聚氨酯硬泡板材作为保温隔热材料拥有广阔的市场前景。

本文通过Foamat曲线仪优化了连续板材用聚氨酯硬泡的配方，实现了聚氨酯硬泡保温板的工业化生产。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚醚元醇R2470M，万华化学(宁波)容威聚氨酯有限公司；聚酯多元醇PS3152、PS345，斯泰潘(南京)化学有限公司； PM200，万华化学股份有限公司。以上原料以及催化剂、匀泡剂、发泡剂、阻燃剂等均为工业品。

1.2 主要仪器

热导率仪，HC-074-200型，美国LaserComp公司；发泡曲线仪，Germany GmbH CMT；万能试验机，4204型，深圳市新三思计量技术有限公司；氧指数测定仪，JF-3型，南京江宁分析仪器厂。

1.3 泡沫塑料的制备

将泡沫稳定剂(1份～2份)、催化剂(5份～9份)、多元醇(80份～120份)、阻燃剂(30份～50份)和发泡剂(10份～25份)按比例调制成组合聚醚，与PM200(240份～360份)混合，立即高速搅拌(4 000 r/min)2 s～6 s，将混合料快速注入40 ℃的30 cm×30 cm×10 cm钢模中，详细记录发泡数据。固化反应30 min后脱模，室温下熟化48 h后，测定产品性能。

2 结果及讨论

2.1 催化剂对发泡曲线的影响

在硬泡板材的连续生产中，泡沫在腔体内匀细程度、闭孔率高低等因素，对板材的保温性能有很大影响，而这些因素与催化剂有很大关系。只有恰当地匹配催化剂，使发泡体系中各种反应速度达到平衡，才能有效提高体系流动性，改善泡沫性能。在基础配方基础上，分别加入1.2 g PC-8或1.2 gPC-41进行实验，Foamat曲线见图1。

图1 催化剂对Foamat曲线的影响

可见，使用PC-41催化剂泡沫起发上升速率最快，达到2.5 mm/s，后期三聚速率达到3.5 mm/s；使用PC-8催化剂泡沫起发更快，泡沫上升速率最快能达到5 mm/s，后期三聚速率达到2.8 mm/s，故PC-41对三聚反应作用更大些，而PC-8对前期发泡反应的作用更大[2]。

2.2 发泡剂对发泡曲线的影响

发泡剂不仅可以调整和控制泡沫制品的密度和性能，还能降低组合聚醚的黏度，提高泡沫的流动性，有利于泡沫成型[3]。发泡剂用HCFC-22代替HCFC-141B，其他条件不变，Foamat曲线见图2。

图2 发泡剂对Foamat曲线的影响

从图2可知，HCFC-22发泡剂的发泡曲线更长，乳白时间快，三聚峰出现晚。原因为，一方面，HCFC-22沸点(-40.5 ℃)比141B沸点(32 ℃)低，气化快，前期起发更快；另一方面，HCFC-22三聚峰拖后因为其气化吸收热量，导致温度下降，后期三聚时间延长，对板材的生产是不利，会导致板材熟化不好，容易产生变形。141B气化吸热比HCFC-22少，发泡料升温快，能够更早达到三聚温度，故141B三聚峰出峰早。

2.3 聚醚组分对发泡曲线的影响

发泡曲线仪能够描述泡沫增长速率以及增长高度随时间的变化、泡沫拉丝时的高度占泡沫整体高度的比例等数据。比较了5种组合聚醚的发泡曲线如图3所示。

图3 组合聚醚对Foamat曲线的影响

从图3可知，物料高度随时间的变化曲线形状基本一致，但斜率不同。物料增长速度-时间曲线变化很大，1、2曲线是一个峰，3、4与5曲线都是两个峰。如果只有一个三角形峰，底边越大两腰越平缓，则物料的增长速度变化越平缓，越容易调整工艺；如果是两个峰，那么面积与位置越接近，物料变化越平缓，越容易调整工艺，由图3可知，5和3聚醚表现较好。

用乳白时间到纤维时间的间隔长短可以衡量发泡流动性的优劣，间隔长意味着物料有足够时间充满模腔，泡沫均匀，密度变化小。通常以纤维时间到不粘时间的间隔长短来衡量固化速度的快慢，间隔短意味着固化反应快，脱模时间可相应缩短[4]。依据间隔时间，2和3聚醚表现最好。综合评价，3聚醚效果最好。

2.4 连续板材用聚氨酯硬泡配方的优化

除了上述催化剂、发泡剂、聚醚体系影响发泡效果外，有机硅油助剂也是影响泡沫平整度、均匀度的重要因素。硅油可以控制泡孔的大小及均匀性，使泡孔壁具有弹性，防止泡沫崩塌。本研究选择L6950有机硅匀泡剂。

综上所述，选择PC-8、HCFC-141B、3聚醚体系，在此配方下制备的连续板材用聚氨酯硬泡导热系数0.021 W/m.k(25 ℃)、密度45.21 kg/m3、抗压强度269.70 KPa、氧指数30.2%、尺寸稳定性[0.38%(70 ℃,48 h), 0.32%(-30 ℃,48 h)]。根据氧指数判断板材达到B1等级(难燃级)，板材综合性能优异。