竇忠山 高迎弟 王磊 劉訪藝 劉永亮 李曉靜

(萬華節(jié)能科技集團(tuán)股份有限公司 山東煙臺(tái) 264006)

彩鋼聚氨酯夾芯保溫板是由硬質(zhì)聚氨酯泡沫夾芯層和復(fù)合于其兩面的彩鋼壓型板組成,具有良好的阻燃性能、保溫性能和環(huán)保性能,在冷藏車、保溫車廂體、冷庫、移動(dòng)板房、醫(yī)院、展臺(tái)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1]。我國針對(duì)建筑材料出臺(tái)了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8624,該標(biāo)準(zhǔn)2012修訂版重新劃分了阻燃等級(jí)。與2006版不同的是,對(duì)于平板類建筑材料B1阻燃等級(jí)增加了氧指數(shù)≥30%的規(guī)定,B2阻燃等級(jí)增加了氧指數(shù)≥26%的規(guī)定。

劉訪藝等[2]研究了雙組分體系軟面硬泡板材組合料生產(chǎn)工藝控制及產(chǎn)品性能測(cè)試,而本研究是針對(duì)B1級(jí)六組分體系硬面板材料的生產(chǎn)工藝,用增加異氰酸酯指數(shù)及添加物理阻燃劑[3-4]的方法設(shè)計(jì)配方并試車,討論了連續(xù)線工藝對(duì)夾芯板性能的影響。通過優(yōu)化工藝,成批、穩(wěn)定生產(chǎn)出外觀合格的夾芯板,并按國標(biāo)對(duì)夾芯板的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇8345(羥值450 mgKOH/g),天津康順化學(xué)有限公司;聚酯多元醇PS2002(羥值200 mgKOH/g),南京金陵斯泰潘化學(xué)有限公司;復(fù)配催化劑A、N,N-二甲基環(huán)己胺(PC-8),空氣化工產(chǎn)品股份有限公司;三(2-氯異丙基)磷酸酯(TCPP),江蘇雅克化工有限公司;復(fù)配泡沫穩(wěn)定劑B,江蘇美思德股份有限公司;發(fā)泡劑HCFC-141b,浙江三美化工股份有限公司;多異氰酸酯PM-400,萬華化學(xué)集團(tuán)股份有限公司;單組分膠黏劑Araldite 2060(改性MDI),亨斯邁聚氨酯(中國)有限公司。

1.2 主要設(shè)備與儀器

FPM150型Foamat泡沫起升儀,德國Format公司;OI型氧指數(shù)燃燒測(cè)試儀,莫蒂斯燃燒技術(shù)(中國)有限公司;JCK-3建材可燃性試驗(yàn)爐,南京市江寧區(qū)分析儀器廠;101-3AB型電熱鼓風(fēng)干燥箱,天津市泰斯特儀器有限公司;彩鋼聚氨酯夾芯保溫板連續(xù)生產(chǎn)線,其中六組分高壓澆注機(jī)由意大利賽普有限公司制造,層壓機(jī)由浙江精功科技股份有限公司制造;WDW-50A型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),濟(jì)南天辰試驗(yàn)機(jī)制造有限公司。

1.3 配方

聚氨酯硬泡的組合聚醚配方見表1。

表1 B1級(jí)聚氨酯硬泡板材組合聚醚配方

按表1配方將原料混合均勻,作為組合聚醚組分(白料)。多異氰酸酯PM-400為另一個(gè)組分(黑料)。

將組合聚醚組分和多異氰酸酯組分混合發(fā)泡,確定異氰酸酯指數(shù)為320。

1.4 測(cè)試方法

聚氨酯硬泡的密度按GB/T 6343—2009的方法測(cè)定;去皮泡沫的壓縮強(qiáng)度按GB/T 8813—2008的方法測(cè)定；彩鋼板泡沫芯材導(dǎo)熱系數(shù)按GB 3399—1982的方法測(cè)定;泡沫芯材的尺寸穩(wěn)定性按GB/T 8811—2008的方法測(cè)定;垂直于板面方向的拉拔強(qiáng)度按GB 50404—2017的方法測(cè)定;氧指數(shù)按GB/T 2406—2009的方法測(cè)定;泡沫芯材燃燒性能按GB/T 8626—2007的方法測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

2.1 自由發(fā)泡試驗(yàn)

按表1配方準(zhǔn)確稱取相應(yīng)的多元醇、阻燃劑、復(fù)配催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、水和HCFC-141b于容器中,用手持電鉆攪拌攪勻,配成白料。在另一容器中稱取相應(yīng)質(zhì)量的PM-400作為黑料,采用一步法發(fā)泡工藝[2],料溫(室溫)25 ℃,按照白料與黑料質(zhì)量比1∶1.6,將黑料迅速倒入白料中,快速攪拌7 s后,記錄發(fā)泡過程相關(guān)時(shí)間參數(shù)。泡沫成型后,測(cè)定硬泡的密度和氧指數(shù),結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)室自由發(fā)泡參數(shù)及泡沫性能測(cè)試結(jié)果

2.2 彩鋼板連續(xù)線生產(chǎn)工藝控制探究

在彩鋼聚氨酯夾芯保溫板連續(xù)生產(chǎn)線上,由于采用了六組分高壓澆注機(jī),可以將部分發(fā)泡劑HCFC-141b和催化劑PC8分別作為一個(gè)組分進(jìn)行在線調(diào)節(jié)密度與發(fā)泡速度。在連續(xù)線生產(chǎn)過程中,工藝參數(shù)的選擇及調(diào)節(jié)直接決定了產(chǎn)品的外觀與質(zhì)量。本研究結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,主要從以下方面探討相關(guān)的工藝參數(shù)選擇及原因。

2.2.1 彩鋼板底板涂膠

為了保證聚氨酯硬泡與彩鋼卷材的粘接性,在澆注硬質(zhì)聚氨酯泡沫組合料之前會(huì)有一道在彩鋼卷材上噴涂Araldite 2060單組分底涂膠的工序[5]。

2.2.2 彩鋼板及槍桿的選取

彩鋼板選用環(huán)氧底漆涂層,并進(jìn)行電暈處理,這樣有助于鋼板底部的粘接及減少底部的泡孔。

本次試車目標(biāo)產(chǎn)品為10 cm厚、1 m寬的彩鋼聚氨酯夾芯保溫板,為保證不發(fā)生噴濺現(xiàn)象、堵槍頭及布料不均勻等問題，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取槍桿的規(guī)格為:長(zhǎng)度28 cm、直徑14 mm、孔徑2 mm,42個(gè)孔。

2.2.3 鏈板溫度

鏈板溫度的選擇主要考慮泡沫的熟化粘接、彩鋼板的表面平整度、生產(chǎn)的操控性三方面。該B1級(jí)硬質(zhì)聚氨酯泡沫的異氰酸酯指數(shù)高,需要較高的鏈板溫度保證泡沫熟化以提高彩鋼板表面的平整度(改善硬泡表皮熟化有利于提高彩鋼板平整度),因此綜合考慮生產(chǎn)的操控性、泡沫層熟化粘接效果、連續(xù)線節(jié)能降耗,可將鏈板溫度設(shè)定為60 ℃。

2.2.4 黑料和白料溫度

彩鋼聚氨酯夾芯保溫板生產(chǎn)首先要保證反應(yīng)的協(xié)調(diào)性與平穩(wěn)性,尤其是當(dāng)生產(chǎn)鏡面板時(shí),如果反應(yīng)不平穩(wěn)會(huì)在彩鋼卷材表面形成大量波浪痕。因此,在澆注到卷材上的黑白料起發(fā)前最好能均勻地流平以保證各處組合料發(fā)泡狀態(tài)的均一性。綜合考慮,將黑料和白料溫度設(shè)定為25～28 ℃,如果溫度過高,組合料混合物有可能未流平便開始起發(fā),而溫度過低,則有可能因組合料混合物黏度較高而無法流平,過高的黏度甚至?xí)?dǎo)致黑白料混合不均。

2.2.5 混合壓力

板材生產(chǎn)所用槍頭為沖擊式混合頭,黑料和白料在混合室中以高速對(duì)撞的方式進(jìn)行充分混合,根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),一般將黑料和白料兩路的槍頭壓力設(shè)定為13～14 MPa。壓力過低會(huì)因相互碰撞不足而導(dǎo)致黑白料混合不充分,生產(chǎn)的夾芯板泡沫層出現(xiàn)顏色較深、泡孔大小分布不均、反應(yīng)不完全導(dǎo)致泡沫收縮等問題出現(xiàn);壓力過高,會(huì)使出料速度過快而導(dǎo)致噴濺,高壓發(fā)泡機(jī)也會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷工作而縮減使用壽命。

2.2.6 車速調(diào)節(jié)

本次試車目標(biāo)產(chǎn)品為10 cm厚、1 m寬的彩鋼聚氨酯夾芯保溫板,配料時(shí)將部分HCFC-141b單獨(dú)做一組分用于調(diào)節(jié)泡沫層密度,全部PC8作為單獨(dú)一組分用于調(diào)節(jié)發(fā)泡速度。聚醚多元醇、聚酯多元醇、水、復(fù)配泡沫穩(wěn)定劑B的混合物(白料)單獨(dú)作為一個(gè)組分,阻燃劑TCPP單獨(dú)作為一個(gè)組分,復(fù)配催化劑A單獨(dú)作為一個(gè)組分。初步設(shè)定物料流速分別為:白料100 g/s、PC8 1.3 g/s、HCFC-141b 10 g/s、TCPP 24 g/s、復(fù)配催化劑A 2.7 g/s、PM-400 220.8 g/s。生產(chǎn)前進(jìn)行發(fā)泡機(jī)打料自由發(fā)泡測(cè)試,出料溫度32.8 ℃,起發(fā)時(shí)間10 s,拉絲時(shí)間35 s,密度38.7 kg/m3。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),10 cm厚硬泡聚氨酯板正常投料密度約比自由泡密度高6 kg/m3左右,初步計(jì)算線速4.1 m/min。以3.9 m/min線速起步,調(diào)節(jié)線速、槍頭擺幅、HCFC-141b及PC8流量,保證發(fā)泡混合料形成的發(fā)泡線不翻滾、不呈波浪線起伏,最終穩(wěn)定保持為一條均勻的直線即調(diào)試完畢。經(jīng)反復(fù)調(diào)節(jié),最終確定線速為4.23 m/min,HCFC-141b流量為9 g/s,PC8流量1.2 g/s。

2.2.7 槍頭類型選取

槍頭的設(shè)置方式有擺動(dòng)式和固定式。槍頭方式的選取是影響組合料在卷材分布均勻性的重要因素[4],是線速調(diào)節(jié)中的一個(gè)重要參數(shù)。

(1)擺動(dòng)式的槍頭

優(yōu)點(diǎn):泡沫平鋪性好,產(chǎn)品密度比較均勻,適合生產(chǎn)要求低速低投料量的產(chǎn)品。

缺點(diǎn):各處鋪料層的泡沫發(fā)泡狀態(tài)不一,容易導(dǎo)致泡沫內(nèi)部及泡沫與上彩鋼板界面有氣泡(如圖1所示),硬面板表面容易起波浪紋(B1級(jí)與B2級(jí)尤其明顯),表面不平整,不利于泡沫的粘接性,不適宜于生產(chǎn)要求高速高投料量的產(chǎn)品。

圖1 擺幅過慢造成的規(guī)律性波浪紋

(2)固定式槍頭

固定式槍頭的出料方式見圖2。

圖2 固定式槍頭

優(yōu)點(diǎn):出料量多,能滿足生產(chǎn)高厚度、高車速條件下的產(chǎn)品,生產(chǎn)效率明顯提高,做出的產(chǎn)品表面平整度高,特別適用于硬面冷庫板的生產(chǎn)。

缺點(diǎn):平鋪性略微比擺動(dòng)式的差;產(chǎn)品寬度方向會(huì)有接縫,影響美觀;槍頭安裝復(fù)雜,價(jià)格昂貴。

本工作選取固定式槍頭進(jìn)行生產(chǎn)。

2.2.8 拉絲時(shí)間與觸板時(shí)間調(diào)節(jié)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),不同體系的泡沫拉絲時(shí)間與觸板時(shí)間(泡沫上升剛好接觸到上鏈板的時(shí)間)關(guān)系如下:聚氨酯硬泡體系混合物料接觸上板時(shí)間比拉絲時(shí)間早3～6 s,聚異氰脲酸酯(PIR)硬泡體系混合物料接觸上板時(shí)間比拉絲時(shí)間早1～3 s。

本次試車所用體系為PIR體系,通過調(diào)節(jié)料溫及PC-8的用量,維持觸板時(shí)間及拉絲時(shí)間間隔在2～3 s。時(shí)間間隔小會(huì)導(dǎo)致投料密度過大或上板填充不滿;時(shí)間間隔大,泡沫在層壓機(jī)中過度翻滾導(dǎo)致泡沫收縮或上表面開裂(見圖3)。

圖3 過度翻滾導(dǎo)致表面開裂

2.3 連續(xù)法彩鋼聚氨酯夾芯保溫板的性能

2.3.1 密度

對(duì)穩(wěn)定生產(chǎn)的室溫下熟化3 d后的彩鋼聚氨酯夾芯保溫板去彩鋼卷材,分別在泡沫夾芯層寬度方向上的兩邊及中心點(diǎn)取樣進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果見表3。

表3 聚氨酯硬泡夾芯層的密度測(cè)試結(jié)果

由表3可見,泡沫層密度較為均勻,說明此次實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)線相關(guān)工藝參數(shù)與發(fā)泡速度相匹配,經(jīng)計(jì)算此次實(shí)驗(yàn)投料密度約為43.5 kg/m3,符合預(yù)期。

2.3.2 導(dǎo)熱系數(shù)

采用成核性好的有機(jī)硅勻泡劑、提高白料中聚酯多元醇的比例、適當(dāng)提高黑/白料比、生產(chǎn)時(shí)黑白料高壓混合充分及加氣等措施可以使生產(chǎn)的夾芯板中聚氨酯泡孔更加細(xì)膩均一,增加泡沫的絕熱性。經(jīng)測(cè)試,聚氨酯硬泡層的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.022 W/(m·K)。

2.3.3 可燃性

聚氨酯硬泡的燃燒性能測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 聚氨酯硬泡夾芯層燃燒性能的測(cè)試結(jié)果

按GB/T 8624—2012,表4結(jié)果表明本次實(shí)驗(yàn)彩鋼板泡沫芯材燃燒性能達(dá)到B1級(jí)中的C級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.4 壓縮和拉拔性能

在夾芯板寬度方向分別在中間及左右兩側(cè)起1/4的位置取樣做壓縮、拉拔測(cè)試,結(jié)果見表5。壓縮強(qiáng)度及拉拔強(qiáng)度符合國標(biāo)GB/T 8624—2012要求。

表5 壓縮強(qiáng)度和拉拔強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.3.5 尺寸穩(wěn)定性

在70 ℃、90%RH條件下對(duì)夾芯板硬質(zhì)泡沫芯材進(jìn)行尺寸穩(wěn)定性測(cè)試。48 h后泡沫芯材在長(zhǎng)、寬、厚方向上的尺寸變化率分別為0.3%、0.3%和0.6%,符合GB/T 8624—2012中不高于1%的要求。

3 結(jié)論

(1)聚氨酯板材生產(chǎn)中,槍頭運(yùn)動(dòng)方式要根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品工藝要求來選取。生產(chǎn)厚度比較小、車速要求不快、對(duì)平面平整度要求不高的產(chǎn)品可選取擺動(dòng)式槍頭;生產(chǎn)厚度比較大、車速要求快、表面平整度要求高的產(chǎn)品應(yīng)選取固定式槍頭。

(2)為避免鋼板使用過程中出現(xiàn)鼓包,配方研發(fā)過程中應(yīng)選用成核性及穩(wěn)泡效果較好的勻泡劑。

(3)對(duì)于六組分發(fā)泡體系要注意各組分工藝參數(shù)的調(diào)節(jié),原則是保持一個(gè)組分變量,其他組分為不變量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

(4)B1級(jí)阻燃彩鋼板聚氨酯夾心板的工藝選擇性要求比軟面聚氨酯夾心板高,工藝更難控制。