聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板连续生产原料、设备与工艺研究

王耀西，王磊，罗晓明

(万华节能科技集团股份有限公司，山东 烟台 264002)

聚氨酯硬质泡沫塑料的闭孔结构使其具有优越的保温效果（100 mm厚的PU硬质泡沫塑料的保温效果约相当于160 mm厚的EPS、200 mm厚的酚醛与橡胶泡沫、300 mm厚的空心板制品）[1]。聚氨酯硬质泡沫塑料板材还具有重量轻、耐热性好、燃烧不产生熔滴等优异性能，广泛应用于厂房、机场候机厅、停车场等建筑的屋顶和墙面保温隔热。另外，我国北方现有住宅90%以上为混合结构，建筑外墙的能源效率仅为国外先进水平的18%，单位建筑面积采暖能耗为国外先进水平的3倍[2]。随着建筑节能工作的大力开展，聚氨酯泡沫塑料复合板作为保温隔热效果最好的材料之一，拥有不错的市场前景。但是聚氨酯硬质泡沫塑料目前阻燃等级只能达到B1级难燃，还不能满足GB 50016—2014 建筑设计防火规范中部分建筑保温高度、燃烧等级等诸多限制性条件的要求，这是影响聚氨酯硬质泡沫塑料在建筑保温领域应用的最大难题。

本文研究的聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板（图1）不仅拥有聚氨酯泡沫塑料板的保温效果和质轻、耐水等优点，而且面向应用的结构依次是彩钢板和50～100 mm厚度的岩棉板，具有极高的阻燃能力。本文研究了聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板连续生产中需要的B1级组合聚醚原料、聚氨酯泡沫塑料和岩棉与彩钢板复合成型的设备与工艺，实现了聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板的工业化大规模生产。

图1 聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板构造图

1 聚氨酯泡沫塑料实验部分

1.1 主要原料

聚醚元醇R2470M（羟值450～500 mg KOH/g），万华化学（宁波）容威聚氨酯有限公司；聚酯多元醇 PS3152（ 羟值 280～320 mg KOH/g）、PS3452（ 羟值230～270 mgKOH/g），斯泰潘(南京)化学有限公司；发泡剂HCFC-141b，浙江三美化工股份有限公司；多亚甲基多苯基异氰酸酯PM200，万华化学股份有限公司；金属盐催化剂1、五甲基二乙基三胺（PC-5）、N,N-二甲基环己胺（PC-8）、金属盐催化剂2、TMR-4，空气化工；三(2-氯丙基)磷酸酯（TCPP），滨海雅克化工有限公司；有机硅匀泡剂L6950，迈图高新材料集团。以上均为工业级。

1.2 主要测试仪器

CMT 4204型万能试验机，深圳市新三思计量技术有限公司；JF-3型氧指数测定仪，南京江宁分析仪器厂；HC-074-200型热导率仪，美国LaserComp公司；发泡曲线仪Foam qualification system，Germany Format Messtechnik GmbH。

1.3 泡沫塑料的制备

制备B1级聚氨酯泡沫塑料前，按表1配方配制组合聚醚。

表1 B1级聚氨酯泡沫塑料配方

将多元醇、泡沫稳定剂、催化剂和发泡剂按比例配制成组合聚醚，与一定量的PM200混合，立即充分搅拌（转速4000 r/min）2～6 s，快速将混合料注入模温40℃的30 cm×30 cm×10 cm钢模中，并记录各种发泡参数。试样固化5 min后脱模，在室温下熟化48 h后，检测产品性能。

1.4 测试与表征

按照GB/T 6343—1995标准测试泡沫表观芯密度；按照GB/T 8811—2008标准测试尺寸稳定性；按照GB/T 8813—2008标准测试压缩强度。导热系数按照GB /T 10295—2008 标准测试; 氧指数按照GB/T2406.1—2008标准测试。

2 生产设备与工艺

2.1 生产设备

生产设备以镇江奥力机械有限公司聚氨酯泡沫塑料连续板材生产线（图2）[3]为基础改造而来，增加岩棉翻转、传送装置、岩棉侧边铣削装置；增加了用于将彩钢板与岩棉黏接于一体的初步黏接机构，初步黏接机构包括设于传送履带左侧正上方的喷胶装置等。

2.2 生产工艺

（1）将聚氨酯组合料的A料和B料加入储料罐，将胶黏剂加入喷胶机储料罐备用[4]。

图2 聚氨酯泡沫塑料连续板材生产线示意图

（2）将彩钢板卷安装在开卷机上，使用压型机把彩钢板板加工成一定特定形状的凹凸面层，压型后由传送履带运行传递。

（3）将岩棉置于传送履带上，由传送履带运行传递。

（4）喷胶机储料罐内的胶黏剂通过喷胶机枪头均匀地浇注于彩钢板上，已喷胶的彩钢板在向前运行传递的过程中与同步传递的岩棉完成初步黏接。

（5）黏贴有岩棉的彩钢板继续沿着传送履带向前运行，储料罐内的聚氨酯组合料经发泡机枪头直接在岩棉与彩钢板的复合体上浇注。

（6）浇注工序结束后，传送履带将复合体送入双履带层压机构内，并在双履带层压机构内完成聚氨酯组合料的发泡成型与熟化，使聚氨酯组合料反应形成的硬泡聚氨酯层与岩棉、彩钢板高压黏接为一体，制成聚氨酯泡沫塑料高阻燃复合板。

（7）在线切割并包装。

3 结果与讨论

3.1 泡沫塑料发泡曲线的影响

使用发泡曲线仪Foam qualif i cation system（German y Format Messtechnik GmbH）测出时间与泡沫增长高度、速度、温度、压力的关系曲线，从而比较准确的反应泡沫增长高度随时间的变化，泡沫增长速率随时间的变化，泡沫拉丝时的高度占泡沫整体高度的比例等数据。本文考察了不同组合聚醚体系的发泡曲线如图3所示：

从图3可以看，物料高度-时间曲线形状大致相同，斜率有所区别。物料增长速度-时间曲线变化很大，蓝色、黑色曲线是一个峰比较突出，紫色、红色与蓝黑色曲线都有很明显的两个峰。如只有一个峰，峰呈现三角形，这样三角形的底边越大两腰越平缓，则物料增长速度变化的越平缓，越有利于生产工艺的调整；如果两个峰，PU峰和PⅠR峰位置与面积越接近，则物料增长速度变化的越平缓，越有利于生产工艺的调整，如两个峰融合在一起，整个图形呈现梯形，在梯形的左侧边泡沫还没有进入压机，梯形右侧边泡沫已经凝胶，泡沫增长高度已到90%左右，泡沫在压机里面的体积增长大多处于梯形的上边，速度基本不变，会比较利于生产工艺的调整，从图3可以看，红色，蓝黑色曲线表现较好。

不同原料的乳白时间不等，如用乳白时间到纤维时间的时间间隔长短来衡量发泡流动性的优劣，间隔时间长意味着在纤维时间之前有较充裕的时间，物料能从容充满模腔，泡沫分布均匀，密度梯度小。通常以纤维时间到不黏时间的间隔长短来衡量固化速度的快慢，间隔短意味着固化反应快，脱模时间可相应缩短[5]。从图3可以看，不同组合聚醚体系拉丝时的高度占泡沫整体高度的比例见表2，黑色与蓝黑色表现最好：

图 3 不同组合聚醚体系的发泡曲线对比

表2 物料拉丝时的高度占泡沫整体高度的比例

从不同组合聚醚体系的发泡曲线对比，我们选择了两方面表现均比较优秀的蓝黑色。

3.2 泡沫塑料助剂的影响

在硬泡板材的连续生产中，泡沫在腔体内是否均匀、泡沫匀细程度、泡沫闭孔率高低等因素，对板材的保温性性能有很大影响，这些因素关系到泡沫与腔壁黏接牢固程度、泡沫尺寸稳定性等，而这些因素与催化剂的使用有很大关系[6]。只有充分了解各种催化剂的性能，恰当地匹配不同功能催化剂的用量，使发泡体系中各种反应的速度达到平衡，才能有效提高体系的流动性，改善泡沫的性能[7]。

发泡剂水、HCFC-141b的调节，也可以作为改善物料的流动性的辅助手段，发泡剂不仅可以调整和控制泡沫制品的密度和性能，还能降低组合聚醚的黏度，改善其发泡工艺，提高泡沫的流动性，有利于泡沫成型[8]。

硅油是即表面活性剂起乳化泡沫物料，稳定泡沫和调节泡孔的作用，有助于气泡的形成，控制泡孔的大小及均匀性，促使泡沫泡孔凝胶张力的平衡，使泡孔壁具有弹性，以留住气体，防止泡沫崩塌。因此对泡沫产品的性能特别是板材平整度、均匀度有较大影响。

3.3 生产工艺参数

聚氨酯组合料浇注时浇注量为10～2000 g/s，聚氨酯组合料浇注时温度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯组合料经发泡机系统枪头浇注时，发泡机系统枪头的压力控制在3～20 MPa；双履带层压机机构的链板温度控制在35～80℃，聚氨酯组合料的熟化温度控制在35～65℃，熟化时间控制在5～60 min。连续板材生产速度控制为1～60 m/s时[4]，生产聚氨酯泡沫塑料板材质量较好。

4 成品及泡沫塑料物性检测

聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材成品见图4。

图4 聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材

聚氨酯泡沫塑料物性检测结果见表3。

表3 聚氨酯泡沫塑料物性检测结果

4 结论

（1）本文通过测试对比不同组合聚醚的时间与泡沫增长高度、速度、温度、压力的关系曲线的方法选择合适的组合聚醚原料。

（2）聚氨酯组合料浇注时浇注量为10～2000 g/s，聚氨酯组合料浇注时温度控制在10～40℃，混合后的聚氨酯组合料经发泡机系统枪头浇注时，发泡机系统枪头的压力控制在3～20 MPa；双履带层压机机构的链板温度控制在35～80℃，聚氨酯组合料的熟化温度控制在35～65℃，熟化时间控制在5～60 min。连续板材生产速度控制为1～60 m/s时[4]，生产聚氨酯泡沫塑料板材质量较好。

（3）聚氨酯泡沫塑料高阻燃板材成品可以工业化大规模生产，泡沫塑料密度抗压强度269.70 kPa；密度 45.21 kg/m3；尺寸稳定性 0.38%（70℃ ,48 h）、0.32%（-30℃ ,48 h）；导热系数 0.021 W/m.k（25℃）；氧指数30.2%。