硬质聚氨酯发泡成型探讨

张俊兵

(太原市热力实业有限公司，山西太原 030013)

1 概述

近几十年来，在生产和生活的各个领域，硬质聚氨酯泡沫的产量年增长速度十分迅猛。有大量的气体、液体需要保温、保冷的条件下运输、储存和输送。对于这些容器、设备、管线的保温、保冷，传统的保温、保冷材料，如石棉、矿渣棉、珍珠岩、锯末、沥青、玻璃纤维等，都存在许多缺点，这些保温材料施工程序复杂，操作不便，有些材料对施工人员的健康还有较大危害。另外，这些保温材料的热导率较高，绝热效果差，能量损耗严重，使用寿命较短。相比之下，聚氨酯硬质泡沫热导率最低，并能很好地摒弃传统保温材料的缺点，尤其在材料绝热性能方面是其他保温材料无法与之相比的。其主要应用于建筑和集中供热行业，其次用于冰箱冰柜等制冷设备以及运输业的绝热保温材料。

随着硬质聚氨酯泡沫生产的逐渐成熟，市场供应的扩大，研究工作不断深入，新品种、新工艺研发、新设备的改进，使硬质聚氨酯泡沫塑料得到了全面发展。在硬质聚氨酯泡沫制品的制备工艺技术方面，提出更高要求。普遍采用大型发泡设备，进行大规模化、连续化、自动化、系列化提高劳动生产率，降低成本，减少原料单耗，采用计算机控制物料温度、流量、流速等各种参数来调整制得更优质的聚氨酯泡沫。

2 硬质聚氨酯泡沫的优点

1)绝热效果好。使用聚氨酯硬泡和聚异氰尿酸脂硬泡，不仅保温层薄而轻，而且绝热效果优异。

2)聚氨酯硬泡和聚异氰尿酸脂硬泡具有很高的闭孔率，并能生产密实的外表皮层，不易渗水，防水效果好。

3)热稳定性能好，工作温度范围广。新型聚氨酯硬泡和聚异氰尿酸脂硬泡保温层可以在150℃工况条件下长期工作，服务期可达25年之久。

4)耐化学性能好，不仅耐热保温，而且具有较好的防腐功能。

5)可以在工厂中进行大规模机械化生产，效率高，质量好;施工简单方便，对施工人员的健康无损伤、安全、可靠。

3 硬质聚氨酯发泡工艺与成型

硬质聚氨酯泡沫塑料发泡分三种:预聚体法、半预聚体法、一步法。

1)预聚体法:通常是把等份的聚醚和异氰酸酯混合反应生成低分子聚合物预聚体，然后，将水和预聚体在搅拌下反应生成脲基，形成高聚物。由于在反应中生成二氧化碳，形成链增长发泡生成泡沫塑料。

2)半预聚体法制预聚体:是把一部分聚醚和过量异氰酸酯混合反应，生成由一定粘度的低分子量聚合物，将多余部分的聚醚与水、催化剂和表面活性剂高速搅拌混合均匀后形成的硬质或半硬质泡沫塑料。

3)一步法:是把聚醚、异氰酸酯及其他组分同时全部混合而制得泡沫塑料。一步法制造工艺简单易操作，不经加工可直接使用，能在室温下进行，各原料相互间的混溶性好发泡后的制品性能优良。

硬质聚氨酯泡沫塑料的发泡工艺通常在发泡设备中将聚醚或聚合多元醇、异氰酸酯、水、催化剂、表面活性剂等按比例配方混合制成液体原料，具有一定粘度，在高速搅拌混合后反应，分别由计量泵按比例在混合室内高速混合，喷射到模具制备中，在一定温度下固化后形成聚氨酯泡沫塑料。现在工业制造中多用一步法来制得不同支链类型的预聚体。

硬质聚氨酯泡沫塑料最简单的发泡成型方法是手工发泡法，原料按比例置于一容器中，高速搅拌混合均匀，注入充填泡沫塑料的空间中，待化学反应固化完形成聚氨酯泡沫，其原料利用率低，适用于在实验室中的科研、现场临时施工。然而在大批量生产中则采用机械发泡，有:块状发泡连续成型、浇筑发泡、喷涂发泡等工艺。最通用的成型方法是浇筑发泡、喷涂发泡、连续成型发泡。不同发泡工艺制得的泡沫性能也大不同，形状、外观等也不同。

4 硬质聚氨酯发泡成型的影响

1)原料:聚醚和聚酯都作为发泡成型的组分。聚醚多元醇与异氰酸酯的比例不同，可制得软质泡沫、半硬质泡沫、硬质泡沫。原料温度的高低直接影响计量配比的精准性，同时影响物料粘度大小。一旦粘度变化，导致计量泵的输出精度发生变化，严重影响制品的质量。聚醚多元醇组分偏大，所得泡沫塑料软，高温下尺寸稳定性差;异氰酸酯组分偏高，泡沫塑料硬而脆。

2)温度:发泡成型过程中，料温和环境温度的高低直接影响泡沫塑料制品的质量。而长期储存和温度变化对异氰酸酯也很不利。异氰酸酯中二聚物的存在，使异氰酸酯变化得浑浊不清，也干扰正常反应。在生产中，温度低，发泡反应缓慢，泡沫固化时间长;温度高，则发泡反应快，泡沫固化时间短。

3)注射温度、速度和压力:在注模之前，要进行高压循环，以致物料温度因高压运动，使温度上升，所以注料温度与原料贮藏温度是不同的。它取决于循环时间与压力，注料速度对原料的混合产生较大影响。一般注料速度快和冲压高，可制得优质泡沫制品。

4)模具温度:是发泡成型的关键因素，可直接影响泡沫的乳白、拉丝、不粘、固化速度，因此必须严格控制。发泡成型是一个化学反应放热过程，放出的热量使发泡剂汽化，在聚氨酯填充空腔中翻滚挤压而形成含有不规则大小泡孔的泡沫。模温是较重要的工艺参数，不仅影响反应热移走的速度，还影响成型时长，对密度、表层厚度及尺寸稳定性都会产生不良影响。发泡成型过程中发泡剂反应放热，形成聚合物在填充空腔中互相推挤、翻滚、爬升与模具表面接触，泡孔破裂经挤压塌泡形成密实层。模具温度高，则形成极薄的表层，不能满足上色要求，制件表面易产生劣迹;温度低，则发泡倍率小，结皮过厚，将降低热传导率。

5)固化时间:泡沫塑料固化后，在一定温度下放置的过程，目的是让发泡反应进行完全，得到良好的制品。在注入模具内时，应把发泡料和模具加热，完成发泡反应后存放于较高温度的环境中。温度越高，固化时间越短。温度低，固化时间长，熟化不充分，泡沫塑料强度达不到应有的要求。原料品种与制件形状尺寸不同，所需固化时间与温度也不同。

6)混合:发泡成型时，混合效率是一个很关键因素。根据原料的特性，调整发泡设备的计量比例、料温达到充分混合的目的。混合均匀，泡沫塑料泡孔细而均匀;混合不好，泡孔粗而不均匀，甚至在局部范围内出现化学反应不充分现象，大大影响制品质量。

7)模具发泡成型时，由于聚醚和异氰酸酯反应生成二氧化碳气体，聚合物膨胀产生一定内压力。模具制约着泡沫形态的发展，应有足够的强度和内表面光滑度，以便保证泡沫全部填充满，不会在发泡后期造成泡沫开裂和中空，使泡沫在模具中分布均匀、密实。还应在合理的位置开设注料口、排气口，可以合理避免局部大泡孔和收缩的出现。

5 结语

在不同行业领域中硬质聚氨酯泡沫产业得到了迅速发展。对硬质聚氨酯泡沫品质要求越来越高，因此针对不同原料，通过改变配方、提高发泡设备精准度及发泡成型工艺来制备各种不同密度、不同性能，满足不同应用的硬质聚氨酯泡沫塑料制品。