全水發(fā)泡在太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)中的應(yīng)用

路 靈

(山東華宇工學(xué)院,山東 德州 253000)

0 引言

太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)水箱發(fā)泡采用聚氨酯發(fā)泡工藝,保溫效果好,能滿(mǎn)足系統(tǒng)性能需求。聚氨酯由異氰酸酯與組合聚醚反應(yīng)制得。異氰酸酯俗稱(chēng)黑料,組合聚醚俗稱(chēng)白料,二者反應(yīng)生成物俗稱(chēng)發(fā)泡料。20世紀(jì)50年代末,氯氟烴類(lèi)(CFCS)發(fā)泡劑作為主要材料應(yīng)用于聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料中,CFC-11是第一代發(fā)泡劑,具有不燃、無(wú)毒、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),是綜合性能極佳的理想發(fā)泡劑,但會(huì)破壞臭氧層,引發(fā)溫室效應(yīng)。據(jù)《蒙特利爾議定書(shū)》規(guī)定,CFC類(lèi)物質(zhì)已被全面禁止使用[1]。作為氫氟烴(HFCS)發(fā)泡劑的代表,第二代發(fā)泡劑HCFC-41b隨之誕生,但其具有一定的除臭氧功能。20世紀(jì)90年代初,烷烴類(lèi)發(fā)泡劑正式投入工業(yè)生產(chǎn),主要以戊烷類(lèi)物質(zhì)為主[2]。

太陽(yáng)能生產(chǎn)廠家保溫水箱大部分使用聚氨酯發(fā)泡,主要采用HCFC-41b含氟發(fā)泡劑,生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)大氣臭氧層具有耗散作用的有害物質(zhì),故需研究常規(guī)發(fā)泡料替代技術(shù)。目前主要采用環(huán)戊烷做發(fā)泡劑,但其具有易燃易爆特性,工藝要求嚴(yán)格,需重新改造發(fā)泡線,費(fèi)用較大,安全隱患較多。HCFC-41b發(fā)泡體原理為黑料與白料物理反應(yīng),其中白料中的催化劑為HCFC-41b,高溫氣化產(chǎn)生氣體存在于聚氨酯保溫材料料孔內(nèi),起到保溫作用。全水發(fā)泡料發(fā)泡原理為黑料與白料化學(xué)反應(yīng),白料中的發(fā)泡劑為全水材料,是一種含水的混合物,會(huì)產(chǎn)生CO2,發(fā)泡料泡孔中為CO2空氣,故相對(duì)于傳統(tǒng)的HCFC-41b聚氨酯發(fā)泡來(lái)說(shuō),整個(gè)發(fā)泡體系不同。全水發(fā)泡是替代HCFC-41b的主要方法之一,用水發(fā)泡可生成CO2,形成泡孔,CO2不燃,無(wú)氣味,無(wú)毒性,故用水作發(fā)泡劑更環(huán)保,更安全。水用量不同,產(chǎn)生的氣體量不同,可得到不同密度的硬泡[3]。全水發(fā)泡不使用物理發(fā)泡劑,沒(méi)有易燃易爆有毒危險(xiǎn)品,適合各種條件及復(fù)雜環(huán)境中的保溫施工及使用,無(wú)需特別改造原有的HCFC-41b設(shè)備,組合聚醚中不含低沸點(diǎn)的發(fā)泡劑,可在較高的溫度范圍內(nèi)使用,不受溫度及環(huán)境因素的影響,經(jīng)濟(jì)成本較低[4]。

1 全水發(fā)泡試驗(yàn)的注意事項(xiàng)及過(guò)程

1.1 試驗(yàn)的注意事項(xiàng)

全水發(fā)泡替代HCFC-41b項(xiàng)目立項(xiàng)后進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn),料性穩(wěn)定后進(jìn)行小批試制,再進(jìn)行批量生產(chǎn),直至全部切換為全水發(fā)泡。產(chǎn)品研發(fā)周期至少2年,而太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)上市后還需通過(guò)一年的驗(yàn)證,其水箱使用環(huán)境惡劣,大部分在室外,風(fēng)吹日曬,北方很多地區(qū)冬季最低氣溫達(dá)-20 ℃以下,夏季為30 ℃～40 ℃,而高溫對(duì)發(fā)泡材料要求較高,故需具有耐高溫穩(wěn)定性及耐低溫穩(wěn)定性,不發(fā)生變形且不能影響保溫性能。其中尺寸穩(wěn)定性是一個(gè)重要指標(biāo),出廠前必須進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)、整機(jī)性能實(shí)驗(yàn)及空曬實(shí)驗(yàn)等。太陽(yáng)能熱水器水箱內(nèi)膽空曬溫度可能達(dá)300 ℃以上,發(fā)泡料會(huì)因高溫而發(fā)生變形及碳化,這是新型發(fā)泡料需要解決的重要技術(shù)問(wèn)題。進(jìn)行生產(chǎn)線改造時(shí)需考慮原生產(chǎn)線的利用情況及投入產(chǎn)出比,盡量節(jié)約成本,故在原來(lái)HCFC-Hlb發(fā)泡劑基礎(chǔ)上改進(jìn)升級(jí),令其適用于全水發(fā)泡劑的生產(chǎn)。發(fā)泡劑存放倉(cāng)庫(kù)增加恒溫空調(diào)系統(tǒng),為發(fā)泡生產(chǎn)線安裝空調(diào)系統(tǒng)。按照發(fā)泡劑廠家參數(shù)要求進(jìn)行工藝驗(yàn)證,制定試驗(yàn)大綱,進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)項(xiàng)目及方法

1.2.1 自由泡密度檢測(cè)

檢測(cè)器具：電子攪拌器、塑料燒杯、水銀溫度表、盛黑白料的料杯、壁紙刀、電子秤。

取樣：用專(zhuān)用工具打開(kāi)黑、白料桶端部封蓋,分別取約80 g的黑、白料,放入料盒內(nèi),做好黑白料標(biāo)識(shí),取料完畢,分別將黑、白料桶封蓋封嚴(yán)。

料溫調(diào)整：料溫調(diào)整到20 ℃～23 ℃,環(huán)境溫度25 ℃±5 ℃。

電子秤調(diào)整：電子秤必須調(diào)整到水平狀態(tài),歸零。

稱(chēng)量：黑白料溫度調(diào)整到要求后將塑料燒杯放在電子秤上歸零,向塑料燒杯中倒入100 g±0.5 g的白料,再倒入125 g±0.5 g的黑料。

攪拌：清理干凈攪拌器攪拌頭余料,調(diào)節(jié)攪拌器指針指向刻度6,即攪拌器轉(zhuǎn)速3000 r/min。將攪拌器攪拌頭浸入盛黑、白料的塑料燒杯內(nèi),攪拌頭不能接觸燒杯周壁及底部,塑料燒杯不能晃動(dòng),打開(kāi)攪拌器開(kāi)關(guān)攪拌8 s后迅速關(guān)閉攪拌器,將攪拌后的混合料倒入自制紙盒內(nèi),令混合料在紙盒內(nèi)自由起發(fā)、固化,固化時(shí)間不少于5 min。

制樣：泡沫固化后,用壁紙刀片切去四周硬皮,從泡芯中制取6 g±1 g的樣塊,數(shù)量3～5塊。要求樣塊外觀平整,泡孔大小致密均勻,無(wú)黑白銀紋現(xiàn)象,顏色呈淺黃色。

1.2.2 損耗檢測(cè)

檢測(cè)器具：電子秤、塑料袋。

檢測(cè)方法：將專(zhuān)用塑料袋放在電子秤上歸零,取一定數(shù)量的液體白料放入塑料袋中,再取相同數(shù)量的液體黑料放入將塑料袋口封住,迅速讀取電子稱(chēng)上顯示的刻度M1(液體黑白料的重量),待泡沫固化約5 min后讀取泡沫固體的重量M2。計(jì)算[(M1-M2)/M1]×100即為黑白料工藝損耗。

1.2.3 模壓泡壓縮強(qiáng)度檢測(cè)

檢測(cè)器具與設(shè)備：壁紙刀、塑料直尺、2500 N數(shù)控拉力試驗(yàn)機(jī)。

模壓塊制作方法：要求模壓塊固體密度與箱體泡的固體密度一致(要求模壓塊的芯密度為38±2 kg/m3)。將模壓塊表皮去掉后制作50 mm×50 mm×50 mm的樣塊,數(shù)量3～5塊,樣塊靜置時(shí)間不低于24 h。要求模壓塊壓縮方向與泡沫上升方向一致。

檢測(cè)方法：按模壓泡壓縮強(qiáng)度作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行。

1.2.4 模壓泡尺寸穩(wěn)定性檢測(cè)

檢測(cè)器具與設(shè)備：壁紙刀、砂紙、丁字尺、盒尺、熱空氣老化箱、冰箱。

模壓塊制作方法：要求模壓塊固體密度與箱體泡的固體密度一致。將模壓塊表皮去掉后制作100 mm×100 mm×25 mm的樣塊,數(shù)量3～5塊,樣塊靜置24 h后試驗(yàn)。

檢測(cè)方法：按模壓泡尺寸穩(wěn)定性作業(yè)指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行檢測(cè)。

導(dǎo)熱系數(shù)：按導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試方法進(jìn)行檢測(cè)。

1.2.5 工藝過(guò)程自由泡密度檢測(cè)

制樣：黑白料溫、料壓符合工藝要求后,用塑料薄膜從高壓槍接料200 g左右,迅速將混合料倒入小紙箱盒內(nèi),紙箱盒尺寸約200 mm×200 mm×200 mm,令混合料在紙盒內(nèi)自由起發(fā)、固化,固化時(shí)間不少于5 min。

參數(shù)測(cè)定：混合料從高壓槍打出開(kāi)始記錄乳白、拉絲、脫黏時(shí)間。

稱(chēng)量、計(jì)算方法同上。測(cè)試自由泡密度時(shí)記錄好環(huán)溫、料溫、料壓、料比等參數(shù)。

若自由泡密度超過(guò)或低于標(biāo)準(zhǔn)值或外觀異常時(shí)進(jìn)行復(fù)檢,若復(fù)檢后仍不合格,迅速對(duì)原料、高壓槍料比進(jìn)行排查并分析原因,找出對(duì)應(yīng)措施,在密度符合要求后開(kāi)展實(shí)驗(yàn)。

1.3 水箱低溫試驗(yàn)

檢測(cè)器具及設(shè)備：盒尺、低溫冷庫(kù)。

檢測(cè)方法：水箱達(dá)到規(guī)定的箱體密度且按工藝要求時(shí)間完成熟化后,在不低于20 ℃的條件下靜止24 h,將水箱放進(jìn)低溫冷庫(kù)。低溫試驗(yàn)條件：-5 ℃,6 h;-25 ℃,66 h。

進(jìn)行產(chǎn)品整體性能試驗(yàn)與熱損系數(shù)、熱效率測(cè)試及水箱承壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

2 全水發(fā)泡驗(yàn)證與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證,已研發(fā)出全水發(fā)泡料等一系列替代產(chǎn)品,其在管道保溫、冰箱、混泥土壩防護(hù)中均有所應(yīng)用,但在太陽(yáng)能熱水器中還沒(méi)有得到批量推廣應(yīng)用。如果將其應(yīng)用于熱水器水箱中,將大幅度提高生產(chǎn)質(zhì)量,故需對(duì)發(fā)泡線進(jìn)行改進(jìn),做樣機(jī)驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證合格后生產(chǎn)一定數(shù)量的全水料,將其應(yīng)用于太陽(yáng)能熱水器水箱發(fā)泡中。2018—2019年試制全水發(fā)泡料,針對(duì)發(fā)泡后產(chǎn)品出現(xiàn)的料裂、漲皮、脫皮等問(wèn)題及時(shí)進(jìn)行了參數(shù)調(diào)整,開(kāi)展產(chǎn)品小批試制試銷(xiāo)?，F(xiàn)對(duì)產(chǎn)品驗(yàn)證參數(shù)作如下統(tǒng)計(jì)分析。

2018年4月—2019年底共試驗(yàn)8次,生產(chǎn)900多臺(tái)產(chǎn)品,通過(guò)多次試驗(yàn)及不斷改進(jìn)配方工藝,最終生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品并進(jìn)行試銷(xiāo)跟蹤,部分工藝驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。

時(shí)間：2018年4月19-20日。白料：全水發(fā)泡料。常規(guī)料參數(shù)：乳白時(shí)間18±3 s,拉絲時(shí)間75±10 s,脫黏時(shí)間110±15 s,自由泡密度25.5～27.4 kg/m3?，F(xiàn)象：開(kāi)裂、脫皮嚴(yán)重,管口氣泡。試驗(yàn)結(jié)果：模壓泡高溫尺寸穩(wěn)定性不合格,整機(jī)冷凍試驗(yàn)及熱損試驗(yàn)合格,說(shuō)明需調(diào)整發(fā)泡料性能參數(shù),改善管口質(zhì)量及尺寸的穩(wěn)定性。

時(shí)間：2018年8月16日。白料：全水發(fā)泡料。現(xiàn)象：有脫皮、管口缺料現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果：整機(jī)冷凍試驗(yàn)及整機(jī)熱性能合格?，F(xiàn)有全水料在D型線生產(chǎn),逐臺(tái)檢驗(yàn),外觀、性能合格。保溫車(chē)間報(bào)料1.5 t,小批試制。

時(shí)間：2019年5月10日。預(yù)熱室溫度47 ℃,內(nèi)膽溫度40 ℃,外皮溫度39 ℃,模具溫度37 ℃。生產(chǎn)100臺(tái)。常溫,預(yù)熱溫度27 ℃,熟化溫度29 ℃,內(nèi)膽溫度24 ℃,外皮溫度24 ℃,模具溫度24 ℃。黑白料溫度25 ℃。生產(chǎn)50臺(tái),經(jīng)2臺(tái)預(yù)熱與2臺(tái)常溫發(fā)泡對(duì)比冷凍試驗(yàn),結(jié)果3臺(tái)合格,常溫發(fā)泡水箱有1臺(tái)不合格,說(shuō)明需控制熟化室溫度才能保證水箱質(zhì)量合格,即對(duì)熟化室進(jìn)行加熱預(yù)熱,但這會(huì)增加些制造成本。

3 結(jié)束語(yǔ)

全水發(fā)泡技術(shù)具有環(huán)保、安全、工藝簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、成本合理等優(yōu)勢(shì),而全水發(fā)泡料是替代HCFC-141b的理想材料,可解決環(huán)境污染問(wèn)題。對(duì)全水發(fā)泡聚氨酯組合聚醚原料、助劑及各項(xiàng)工藝指標(biāo)進(jìn)行考核,對(duì)原有設(shè)備及工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并用于HCFC-41b發(fā)泡生產(chǎn)線上,通過(guò)多次工藝驗(yàn)證及樣件、樣機(jī)實(shí)驗(yàn),按照合格樣品工藝參數(shù)進(jìn)行小批量生產(chǎn),試銷(xiāo)結(jié)果滿(mǎn)足用戶(hù)使用需求,問(wèn)題較少,只有個(gè)別高溫脫蓋情況。針對(duì)存在的問(wèn)題,仍需進(jìn)一步改進(jìn)全水發(fā)泡料,令其適應(yīng)環(huán)境及使用要求。