B1級聚氨酯彩鋼夾芯保溫板發(fā)泡工藝控制及性能測試*

竇忠山 高迎弟 王磊 劉訪藝 劉永亮 李曉靜

(萬華節(jié)能科技集團股份有限公司 山東煙臺 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、移動板房、醫(yī)院、展臺等領域得到廣泛應用[1]。我國針對建筑材料出臺了國家標準GB/T 8624,該標準2012修訂版重新劃分了阻燃等級。與2006版不同的是,對于平板類建筑材料B1阻燃等級增加了氧指數(shù)≥30%的規(guī)定,B2阻燃等級增加了氧指數(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)品性能測試,而本研究是針對B1級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]的方法設計配方并試車,討論了連續(xù)線工藝對夾芯板性能的影響。通過優(yōu)化工藝,成批、穩(wěn)定生產(chǎn)出外觀合格的夾芯板,并按國標對夾芯板的各項性能進行測試。

1 實驗部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇8345(羥值450 mgKOH/g),天津康順化學有限公司;聚酯多元醇PS2002(羥值200 mgKOH/g),南京金陵斯泰潘化學有限公司;復配催化劑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-400,萬華化學集團股份有限公司;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)燃燒測試儀,莫蒂斯燃燒技術(中國)有限公司;JCK-3建材可燃性試驗爐,南京市江寧區(qū)分析儀器廠;101-3AB型電熱鼓風干燥箱,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由意大利賽普有限公司制造,層壓機由浙江精功科技股份有限公司制造;WDW-50A型微機控制電子萬能試驗機,濟南天辰試驗機制造有限公司。

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 測試方法

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

2 結(jié)果與討論

2.1 自由發(fā)泡試驗

按表1配方準確稱取相應的多元醇、阻燃劑、復配催化劑、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)泡過程相關時間參數(shù)。泡沫成型后,測定硬泡的密度和氧指數(shù),結(jié)果見表2。

表2 實驗室自由發(fā)泡參數(shù)及泡沫性能測試結(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,可以將部分發(fā)泡劑HCFC-141b和催化劑PC8分別作為一個組分進行在線調(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)實際,主要從以下方面探討相關的工藝參數(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)驗選取槍桿的規(guī)格為:長度28 cm、直徑14 mm、孔徑2 mm,42個孔。

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)首先要保證反應的協(xié)調(diào)性與平穩(wěn)性,尤其是當生產(chǎn)鏡面板時,如果反應不平穩(wěn)會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,過高的黏度甚至會導致黑白料混合不均。

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撞的方式進行充分混合,根據(jù)實際生產(chǎn)經(jīng)驗,一般將黑料和白料兩路的槍頭壓力設定為13～14 MPa。壓力過低會因相互碰撞不足而導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、反應不完全導致泡沫收縮等問題出現(xiàn);壓力過高,會使出料速度過快而導致噴濺,高壓發(fā)泡機也會因長時間超負荷工作而縮減使用壽命。

2.2.6 車速調(diào)節(jié)

本次試車目標產(chǎn)品為10 cm厚、1 m寬的彩鋼聚氨酯夾芯保溫板,配料時將部分HCFC-141b單獨做一組分用于調(diào)節(jié)泡沫層密度,全部PC8作為單獨一組分用于調(diào)節(jié)發(fā)泡速度。聚醚多元醇、聚酯多元醇、水、復配泡沫穩(wěn)定劑B的混合物(白料)單獨作為一個組分,阻燃劑TCPP單獨作為一個組分,復配催化劑A單獨作為一個組分。初步設定物料流速分別為:白料100 g/s、PC8 1.3 g/s、HCFC-141b 10 g/s、TCPP 24 g/s、復配催化劑A 2.7 g/s、PM-400 220.8 g/s。生產(chǎn)前進行發(fā)泡機打料自由發(fā)泡測試,出料溫度32.8 ℃,起發(fā)時間10 s,拉絲時間35 s,密度38.7 kg/m3。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗,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

槍頭的設置方式有擺動式和固定式。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)中的一個重要參數(shù)。

(1)擺動式的槍頭

優(yōu)點: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:各處鋪料層的泡沫發(fā)泡狀態(tài)不一,容易導致泡沫內(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級與B2級尤其明顯),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: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:平鋪性略微比擺動式的差;產(chǎn)品寬度方向會有接縫,影響美觀;槍頭安裝復雜,價格昂貴。

本工作選取固定式槍頭進行生產(chǎn)。

2.2.8 拉絲時間與觸板時間調(diào)節(jié)

根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗,不同體系的泡沫拉絲時間與觸板時間(泡沫上升剛好接觸到上鏈板的時間)關系如下:聚氨酯硬泡體系混合物料接觸上板時間比拉絲時間早3～6 s,聚異氰脲酸酯(PIR)硬泡體系混合物料接觸上板時間比拉絲時間早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,維持觸板時間及拉絲時間間隔在2～3 s。時間間隔小會導致投料密度過大或上板填充不滿;時間間隔大,泡沫在層壓機中過度翻滾導致泡沫收縮或上表面開裂(見圖3)。

圖3 過度翻滾導致表面開裂

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取樣進行測試,結(jié)果見表3。

表3 聚氨酯硬泡夾芯層的密度測試結(jié)果

由表3可見,泡沫層密度較為均勻,說明此次實驗生產(chǎn)線相關工藝參數(shù)與發(fā)泡速度相匹配,經(jīng)計算此次實驗投料密度約為43.5 kg/m3,符合預期。

2.3.2 導熱系數(shù)

采用成核性好的有機硅勻泡劑、提高白料中聚酯多元醇的比例、適當提高黑/白料比、生產(chǎn)時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膩均一,增加泡沫的絕熱性。經(jīng)測試,聚氨酯硬泡層的導熱系數(shù)為 0.022 W/(m·K)。

2.3.3 可燃性

聚氨酯硬泡的燃燒性能測試結(jié)果見表4。

表4 聚氨酯硬泡夾芯層燃燒性能的測試結(jié)果

按GB/T 8624—2012,表4結(jié)果表明本次實驗彩鋼板泡沫芯材燃燒性能達到B1級中的C級標準。

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、拉拔測試,結(jié)果見表5。壓縮強度及拉拔強度符合國標GB/T 8624—2012要求。

表5 壓縮強度和拉拔強度測試結(jié)果

2.3.5 尺寸穩(wěn)定性

在70 ℃、90%RH條件下對夾芯板硬質(zhì)泡沫芯材進行尺寸穩(wěn)定性測試。48 h后泡沫芯材在長、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,槍頭運動方式要根據(jù)實際產(chǎn)品工藝要求來選取。生產(chǎn)厚度比較小、車速要求不快、對平面平整度要求不高的產(chǎn)品可選取擺動式槍頭;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)過程中應選用成核性及穩(wěn)泡效果較好的勻泡劑。

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

(4)B1級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。