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聚氨酯海绵全水真空发泡技术


海绵就是泡沫密度低于18 kg/m3以下的低密度PU,方法通常是水用量超过4.5份(每100份多元醇),TDI用量超过55份,泡沫的散热问题就非常突出,由于泡沫内部的热量不易散发,在发泡过程中温度自动升温超过180℃,会引起泡沫自燃,导致火灾危险。国内外解决办法有三个,即负压发泡技术、强制冷却技术和液态CO2发泡技术。
1、负压发泡技术
通常,泡沫发泡过程中,泡孔要承受大气压、泡沫自身重量和发泡时的气体膨胀力这三种压力。
P1为大气压力,P2为泡孔内部气体膨胀而使泡孔受到的向外膨胀压力,G为此泡孔上方的泡沫体重量。
在P≥P1+G+P2下,泡沫才能上升。
在负压下,P1是一个变量,P2是受P1影响的变量。
根据我们实验:一旦在发泡时泡沫料所受的外部压力减少30%(即低于大气压力30%),泡沫塑料的密度可以降低15%~20%;当泡沫外界压力减少50%时,泡沫密度能降低25%~30%。一般,在0.1 MPa(1 atm)下,用水量在4.3份(每100份聚醚多元醇)情况下,可制得密度为24 kg/m3左右的块泡;当外界压力降为0.05 MPa时,同样4.3份水可制得密度为16 kg/m3的块泡。值得注意的是,必须适当调整泡沫的上升及凝固时间,即延长上升时间、缓迟凝固时间,以保证泡沫在负压下有充分的发泡机会。
对于连续平顶块状海绵,“负压发泡”的设备投资大,中小企业难以承受,但对于“箱式发泡”,其投资成本不会太大。
建议:建一个圆筒型真空房,形似“真空干燥箱”,再添一台抽气量大的真空泵,以保证在30 s内达到所需的真空度。
2、强制冷却技术
本技术的特点是保证软质泡沫塑料体的中心温度不超过170℃,避免自燃及火灾的发生。
强制冷却的目的是在采用高含水量条件下生产出低密度海绵时,保证泡沫体内部温度不超过临界温度170℃。在操作上,这种方法是可行的。只要控制好发泡时间不超过30 min,将大块泡沫移入强制冷却室,使泡沫继续熟化,即可达到目的。
该技术很适合国内大中小企业,投资改造费用少,上马快,但聚醚生产厂家一定要配合工作,研制出符合高水量低密度PU软泡专用品种。
意大利的Enichem研究中心开发出系列聚醚多元醇适用于高水量低密度PU柔软级、超软级、软级泡沫品牌,其商品名为Tercaflex 9912及PU POL 9917。其柔软级PU软泡物性见表2。
表2 柔软级聚醚型聚氨酯软泡物性
泡沫编号 16S 18S 21S 25S 30S 40S
配方(质量份)
PU POL 9917 13 13 13 13 13 13
Gledion FG 3505 — — 87 87 87 87
Tercaflex 9912 87 87 — — — —
水 5.3 5.0 4.6 3.9 3.2 3.2
TDI-80指数 98 98 100 100 103 103

续表2 柔软级聚醚型聚氨酯软泡物性
泡沫编号 16S 18S 21S 25S 30S 40S
泡沫密度/kg•m-3 16.5 17.3 20.3 24.8 30.3 40.1
拉伸强度/kPa 88 94 103 123 108 98
断裂伸长率/% 271 288 316 320 303 280
75%压缩永久变形/% 6.1 5.5 4.6 3.1 2.0 1.9
40%压痕硬度/N 65 81 82 85 95 99
40%压缩应力/kPa 1.55 1.75 1.83 1.95 2.05 2.25
落球回弹率/% 36 39 40 41 45 50
空气渗透率/nL•min-1 200 145 138 125 115 99
为了适用于强制冷却技术的高水量PU软泡体系,聚醚多元醇的相对分子质量必须超过3000,以消除因高水量所引起脲键增加而导致的泡沫回弹变差、伸长率降低、手感恶化的缺陷。同时在聚醚结构中引入氧化乙烯链节(EO)的含量要高,以保证聚醚与大量水的互溶。
3、液态CO2发泡技术
液态二氧化碳(LCD)发泡技术,早期由意大利康隆集团公司开发,称之为“CarDio”技术,一年之后,德国拜耳集团公司的亨内基机械公司也相继开发成功,称之为“NovaFlex”技术,该技术之所以引起业界兴趣,是因为CO2不仅有可替代软泡中的二氯甲烷(MC)及CFC-11等辅助发泡剂的功能,而且液态CO2的成本只有MC的四分之一,发泡效率却高3倍多。国外,康隆公司和亨内基公司都已在“Maxfoam”发泡机组上进行适当的调整改造,生产出泡沫密度约为14 kg/m3的平顶连续泡沫(泡沫宽2.2m、高1.2m)和模塑泡沫等。CarDio法泡沫比以往的Maxfoam泡沫有较柔软的手感、高度的开孔结构及良好的回弹性。
在软泡配方方面,高效率表面活性剂的选用,胺类催化剂与锡催化剂的优化组合,是生产商品级CO2发泡PU泡沫的保证。通常,在液态CO2发泡技术中,锡催化剂的用量比MC发泡技术的少。4份液态CO2相当于13份MC所起到的作用,而水量要适当增加一些,以保证泡沫的硬度。

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