冷藏車閉式和開式澆注發(fā)泡工藝對比

江蘇宏昌天馬物流裝備有限公司 趙洪濤 劉現(xiàn)偉 張保寬

在大型冷藏車生產(chǎn)線上對比了閉式和開式澆注發(fā)泡工藝。測試結(jié)果表明開式澆注發(fā)泡工藝在泡沫密度和性能分布等方面優(yōu)于閉式澆注發(fā)泡工藝，尤其是閉式發(fā)泡工藝存在的氣泡問題得到明顯改善。

國家高度重視冷鏈物流發(fā)展[1]，冷鏈運輸裝備是這個產(chǎn)業(yè)中非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，為了提高運輸效率，冷藏車技術(shù)人員必須制作出廂內(nèi)空間利用率最大、整車重量最小、保溫效果最好的物流裝備，使用更少的燃料運輸更多的貨物[2]。

聚氨酯硬質(zhì)泡沫是一種有效的絕熱材料，它的使用方法是通過發(fā)泡機(jī)把黑白料混合并注入到模具空腔中，聚氨酯硬泡膨脹并充滿整個模具空間。聚氨酯硬泡作為為隔熱材料，尤其能滿足特殊結(jié)構(gòu)或形狀的板材制作，使用非常靈活方便[3]。

國內(nèi)部分冷鏈運輸裝備生產(chǎn)廠家的制板方法采用閉式澆注發(fā)泡，聚氨酯硬質(zhì)泡沫切片樹脂膠粘結(jié)，結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)等工藝。歐洲和美國冷鏈運輸裝備主要生產(chǎn)廠家有Schmitz、Krone、Kogel、Utility和Great Dane等[4]，這些企業(yè)制板工藝都是澆注發(fā)泡工藝。與國內(nèi)發(fā)泡工藝不同的是Schmitz Krone這兩家高端掛車制造商已經(jīng)升級為自動化程度更高的開式澆注工藝，開式澆注工藝是現(xiàn)今冷藏車最新的技術(shù)路線。

聚氨酯發(fā)泡原理

硬質(zhì)聚氨酯泡沫的生產(chǎn)需要兩種主要的液體成分——多元醇和異氰酸酯，也就是通常說的白料和黑料。發(fā)泡劑通常與反應(yīng)催化劑、泡沫穩(wěn)定劑和阻燃劑等助劑一起加入多元醇混合液中，統(tǒng)稱為白料。多元醇與異氰酸酯反應(yīng)產(chǎn)生熱量，使發(fā)泡劑汽化，因此液態(tài)混合物膨脹成泡沫，汽化后的發(fā)泡劑被包裹在聚氨酯泡孔中，反應(yīng)完全熟化后，發(fā)泡劑與聚氨酯一起形成了穩(wěn)定的、具有一定強度的保溫材料。另外為了保持流動性和控制密度，通常多元醇會加一定份數(shù)的水。

在聚氨酯泡沫形成過程中，主要反應(yīng)如下[5][6]：

（1）異氰酸酯和羥基反應(yīng)，多異氰酸酯和多元醇（聚醚、聚酯或其他多元醇）反應(yīng)生產(chǎn)聚氨酯，方程式如圖1所示。

圖1 聚氨酯反應(yīng)方程式

（2）異氰酸酯和水反應(yīng)，帶有異氰酸基團(tuán)的化合物與水反應(yīng)，生產(chǎn)聚脲并放出二氧化碳，方程式如圖2所示。

圖2 異氰酸酯-水反應(yīng)方程式

閉式澆注發(fā)泡工藝和開式澆注發(fā)泡工藝介紹

1 閉式澆注發(fā)泡工藝

傳統(tǒng)的閉式澆注發(fā)泡工藝方法：操作人員先在模具上用面材制作成一個封閉的空腔，側(cè)面預(yù)留注料孔和排氣孔；啟動高壓發(fā)泡機(jī)，傾斜模具，往模具空腔內(nèi)注入設(shè)定量的泡沫原料，待泡沫膨脹充滿模具熟化一定時間后脫模，取出制品。當(dāng)板材長度超過6m時或注料時長超過發(fā)泡的乳白時間（Creaming time）時，經(jīng)常會采用分腔注料的方式：即模具空腔中間用穩(wěn)固的隔離筋對模具空腔進(jìn)行分割，操作人員手持注料槍頭分多次向模具內(nèi)注料，如圖3所示。

圖3 閉式注料方式示意圖

2 開式澆注發(fā)泡工藝

開式澆注發(fā)泡工藝方法：在圖4中工作臺車1上進(jìn)行板材支模，制作上方敞口的空腔，上蒙皮置于服務(wù)臺車4，計算需要投入的聚氨酯發(fā)泡料總量，起始注料位置和結(jié)束注料位置，以上三個參數(shù)輸入到控制系統(tǒng)中，然后啟動設(shè)備，服務(wù)臺車4會載著上蒙皮自動進(jìn)入壓機(jī)3中，把上蒙皮吸附在壓機(jī)上模板表面，工作臺車1根據(jù)提供的參數(shù)自動計算移動速度，勻速進(jìn)入到壓機(jī)中并在運行中完成發(fā)泡料的注入。澆注結(jié)束后，工作臺車1完全進(jìn)入壓機(jī)3內(nèi)設(shè)定位置，壓機(jī)3閉合，上蒙皮覆蓋在模具上面，泡沫在模具內(nèi)膨脹發(fā)泡，經(jīng)過一定的時間后取出制品。

圖4 開式澆注發(fā)泡設(shè)備示意圖

發(fā)泡料通過橫向的多孔管涂布在移動的板材內(nèi)，如圖5所示。

圖5 開式澆注發(fā)泡注料方式示意圖

兩種發(fā)泡工藝對比

1 泡沫樣品制備方法

制備2塊尺寸為5000mm×2300mm×80mm的封閉空腔，用于對比兩種發(fā)泡工藝。

原料：多元醇使用開式工藝專用組合聚醚原料，異氰酸酯使用DESMODUR ? 44V20L。

發(fā)泡機(jī)：A350型發(fā)泡機(jī)。

工藝參數(shù)：自由密度29kg/m3，注入密度50kg/m3，總注料量為m =46kg，計算方法：m=ρ×V。ρ=50kg/m3，V=2.3m×5m×0.08m=0.92m3。

原料溫度控制在23～25℃。模具溫度：34～36℃。

開式澆注：槍頭流量2kg/s，多孔管長度2000mm，孔徑10mm，間距80mm。

閉式澆注：槍頭流量2kg/s，注料位于板材中間位置，模具傾斜角度：8?。

脫模時間均為30min。

閉式和開式澆注工藝均采用單槍注料，開式澆注發(fā)泡料涂布尺寸如圖6。

脫模后比較兩塊泡沫板的密度、表面氣泡特征、導(dǎo)熱系數(shù)、壓縮強度。

圖6 開式發(fā)泡澆注尺寸圖

泡沫密度按GB/T 6343-2009測試；

泡沫的壓縮強度按GB 8813測試；

泡沫的導(dǎo)熱系數(shù)按照GB 3399測試；

泡沫表面氣泡評估按目測來定。

2 測試結(jié)果

2.1 密度分布

選取板材前、中、后，9個位置取樣測量密度（見圖7、8）。

2.2 表面氣泡

選取閉式和開式相同位置表面狀態(tài)比較。

通過圖9可以看出，閉式澆注泡沫樣品角部泡沫拉絲嚴(yán)重，氣孔多，顏色較深，開式澆注泡沫樣品整體氣泡少，顏色更加均勻。

圖7 閉式澆注泡沫樣品密度分布圖

圖8 開式澆注泡沫樣品密度分布圖

表1 密度分布結(jié)果

圖9 閉式和開式澆注泡沫樣品表面氣泡對比圖

圖10 閉式和開式澆注泡沫樣品上表面狀態(tài)對比

圖11 閉式和開式澆注泡沫樣品截面對比圖

通過圖10可以看出，閉式澆注泡沫樣品表面氣孔多。

通過圖11可以看出，閉式澆注截面氣孔體積較多而且較大，開式澆注更加細(xì)膩。

2.3 物理性能對比

表2 熱學(xué)和力學(xué)性能結(jié)果

3 結(jié)果分析

對比兩種發(fā)泡工藝，最大的差別在于兩者的反應(yīng)原料注入方式不同，導(dǎo)致泡沫的流動距離不一樣。

從圖12可以看出發(fā)泡液從起發(fā)點到結(jié)束點流動距離L1經(jīng)過計算為3390mm。從圖13可以看出，開式澆注發(fā)泡工藝過程中發(fā)泡液通過設(shè)備已經(jīng)預(yù)先分布在板材的下表面，經(jīng)過計算水平方向流動距離L2=150mm，垂直方向流動距離L3=170mm。

綜上所述，泡沫的流動距離越長，發(fā)泡料在向前流動的過程中反應(yīng)動力逐漸減弱，到末端時反應(yīng)動力減小，泡沫處于拉絲狀態(tài)，泡沫向前翻滾，包裹很多空氣，形成發(fā)泡缺陷，泡沫密度也不均勻。而開式澆注發(fā)泡工藝通過改變注料方式，有效減少泡沫的流動距離，保證了泡沫的反應(yīng)動力足夠填滿空腔，泡沫短時間內(nèi)就可以充滿空腔，密度分布也更加均勻。

結(jié)語

本文通過兩種工藝的介紹和比較以及實驗結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

圖12 閉式發(fā)泡-流動示意圖

圖13 開式發(fā)泡-流動示意圖

a.開式澆注發(fā)泡工藝由于采用全自動化的注料方式，在效率、人員操作安全性方面有明顯優(yōu)勢。

b.開式工藝狀態(tài)下的泡沫流動距離較短，末端反應(yīng)動力足，能夠有效排出空腔中的空氣，解決了閉式工藝長期解決不了的空泡的問題。

c.由于開式發(fā)泡在注料時均勻地涂布在板材上面，形成的泡沫密度分布均，整體保溫效果好。