全水发泡在太阳能热水系统中的应用

路 灵

(山东华宇工学院,山东 德州 253000)

0 引言

太阳能热水系统水箱发泡采用聚氨酯发泡工艺,保温效果好,能满足系统性能需求。聚氨酯由异氰酸酯与组合聚醚反应制得。异氰酸酯俗称黑料,组合聚醚俗称白料,二者反应生成物俗称发泡料。20世纪50年代末,氯氟烃类(CFCS)发泡剂作为主要材料应用于聚氨酯硬质泡沫塑料中,CFC-11是第一代发泡剂,具有不燃、无毒、化学性质稳定等优点,是综合性能极佳的理想发泡剂,但会破坏臭氧层,引发温室效应。据《蒙特利尔议定书》规定,CFC类物质已被全面禁止使用[1]。作为氢氟烃(HFCS)发泡剂的代表,第二代发泡剂HCFC-41b随之诞生,但其具有一定的除臭氧功能。20世纪90年代初,烷烃类发泡剂正式投入工业生产,主要以戊烷类物质为主[2]。

太阳能生产厂家保温水箱大部分使用聚氨酯发泡,主要采用HCFC-41b含氟发泡剂,生产过程中会产生对大气臭氧层具有耗散作用的有害物质,故需研究常规发泡料替代技术。目前主要采用环戊烷做发泡剂,但其具有易燃易爆特性,工艺要求严格,需重新改造发泡线,费用较大,安全隐患较多。HCFC-41b发泡体原理为黑料与白料物理反应,其中白料中的催化剂为HCFC-41b,高温气化产生气体存在于聚氨酯保温材料料孔内,起到保温作用。全水发泡料发泡原理为黑料与白料化学反应,白料中的发泡剂为全水材料,是一种含水的混合物,会产生CO2,发泡料泡孔中为CO2空气,故相对于传统的HCFC-41b聚氨酯发泡来说,整个发泡体系不同。全水发泡是替代HCFC-41b的主要方法之一,用水发泡可生成CO2,形成泡孔,CO2不燃,无气味,无毒性,故用水作发泡剂更环保,更安全。水用量不同,产生的气体量不同,可得到不同密度的硬泡[3]。全水发泡不使用物理发泡剂,没有易燃易爆有毒危险品,适合各种条件及复杂环境中的保温施工及使用,无需特别改造原有的HCFC-41b设备,组合聚醚中不含低沸点的发泡剂,可在较高的温度范围内使用,不受温度及环境因素的影响,经济成本较低[4]。

1 全水发泡试验的注意事项及过程

1.1 试验的注意事项

全水发泡替代HCFC-41b项目立项后进行样机试验,料性稳定后进行小批试制,再进行批量生产,直至全部切换为全水发泡。产品研发周期至少2年,而太阳能热水系统上市后还需通过一年的验证,其水箱使用环境恶劣,大部分在室外,风吹日晒,北方很多地区冬季最低气温达-20 ℃以下,夏季为30 ℃～40 ℃,而高温对发泡材料要求较高,故需具有耐高温稳定性及耐低温稳定性,不发生变形且不能影响保温性能。其中尺寸稳定性是一个重要指标,出厂前必须进行模拟实验、整机性能实验及空晒实验等。太阳能热水器水箱内胆空晒温度可能达300 ℃以上,发泡料会因高温而发生变形及碳化,这是新型发泡料需要解决的重要技术问题。进行生产线改造时需考虑原生产线的利用情况及投入产出比,尽量节约成本,故在原来HCFC-Hlb发泡剂基础上改进升级,令其适用于全水发泡剂的生产。发泡剂存放仓库增加恒温空调系统,为发泡生产线安装空调系统。按照发泡剂厂家参数要求进行工艺验证,制定试验大纲,进行相关试验。

1.2 试验项目及方法

1.2.1 自由泡密度检测

检测器具：电子搅拌器、塑料烧杯、水银温度表、盛黑白料的料杯、壁纸刀、电子秤。

取样：用专用工具打开黑、白料桶端部封盖,分别取约80 g的黑、白料,放入料盒内,做好黑白料标识,取料完毕,分别将黑、白料桶封盖封严。

料温调整：料温调整到20 ℃～23 ℃,环境温度25 ℃±5 ℃。

电子秤调整：电子秤必须调整到水平状态,归零。

称量：黑白料温度调整到要求后将塑料烧杯放在电子秤上归零,向塑料烧杯中倒入100 g±0.5 g的白料,再倒入125 g±0.5 g的黑料。

搅拌：清理干净搅拌器搅拌头余料,调节搅拌器指针指向刻度6,即搅拌器转速3000 r/min。将搅拌器搅拌头浸入盛黑、白料的塑料烧杯内,搅拌头不能接触烧杯周壁及底部,塑料烧杯不能晃动,打开搅拌器开关搅拌8 s后迅速关闭搅拌器,将搅拌后的混合料倒入自制纸盒内,令混合料在纸盒内自由起发、固化,固化时间不少于5 min。

制样：泡沫固化后,用壁纸刀片切去四周硬皮,从泡芯中制取6 g±1 g的样块,数量3～5块。要求样块外观平整,泡孔大小致密均匀,无黑白银纹现象,颜色呈浅黄色。

1.2.2 损耗检测

检测器具：电子秤、塑料袋。

检测方法：将专用塑料袋放在电子秤上归零,取一定数量的液体白料放入塑料袋中,再取相同数量的液体黑料放入将塑料袋口封住,迅速读取电子称上显示的刻度M1(液体黑白料的重量),待泡沫固化约5 min后读取泡沫固体的重量M2。计算[(M1-M2)/M1]×100即为黑白料工艺损耗。

1.2.3 模压泡压缩强度检测

检测器具与设备：壁纸刀、塑料直尺、2500 N数控拉力试验机。

模压块制作方法：要求模压块固体密度与箱体泡的固体密度一致(要求模压块的芯密度为38±2 kg/m3)。将模压块表皮去掉后制作50 mm×50 mm×50 mm的样块,数量3～5块,样块静置时间不低于24 h。要求模压块压缩方向与泡沫上升方向一致。

检测方法：按模压泡压缩强度作业指导书进行。

1.2.4 模压泡尺寸稳定性检测

检测器具与设备：壁纸刀、砂纸、丁字尺、盒尺、热空气老化箱、冰箱。

模压块制作方法：要求模压块固体密度与箱体泡的固体密度一致。将模压块表皮去掉后制作100 mm×100 mm×25 mm的样块,数量3～5块,样块静置24 h后试验。

检测方法：按模压泡尺寸稳定性作业指导书进行检测。

导热系数：按导热系数测试方法进行检测。

1.2.5 工艺过程自由泡密度检测

制样：黑白料温、料压符合工艺要求后,用塑料薄膜从高压枪接料200 g左右,迅速将混合料倒入小纸箱盒内,纸箱盒尺寸约200 mm×200 mm×200 mm,令混合料在纸盒内自由起发、固化,固化时间不少于5 min。

参数测定：混合料从高压枪打出开始记录乳白、拉丝、脱黏时间。

称量、计算方法同上。测试自由泡密度时记录好环温、料温、料压、料比等参数。

若自由泡密度超过或低于标准值或外观异常时进行复检,若复检后仍不合格,迅速对原料、高压枪料比进行排查并分析原因,找出对应措施,在密度符合要求后开展实验。

1.3 水箱低温试验

检测器具及设备：盒尺、低温冷库。

检测方法：水箱达到规定的箱体密度且按工艺要求时间完成熟化后,在不低于20 ℃的条件下静止24 h,将水箱放进低温冷库。低温试验条件：-5 ℃,6 h;-25 ℃,66 h。

进行产品整体性能试验与热损系数、热效率测试及水箱承压强度试验。

2 全水发泡验证与实验结果

经过多年的实验室验证,已研发出全水发泡料等一系列替代产品,其在管道保温、冰箱、混泥土坝防护中均有所应用,但在太阳能热水器中还没有得到批量推广应用。如果将其应用于热水器水箱中,将大幅度提高生产质量,故需对发泡线进行改进,做样机验证,实验室验证合格后生产一定数量的全水料,将其应用于太阳能热水器水箱发泡中。2018—2019年试制全水发泡料,针对发泡后产品出现的料裂、涨皮、脱皮等问题及时进行了参数调整,开展产品小批试制试销。现对产品验证参数作如下统计分析。

2018年4月—2019年底共试验8次,生产900多台产品,通过多次试验及不断改进配方工艺,最终生产出合格的产品并进行试销跟踪,部分工艺验证及实验结果如下。

时间：2018年4月19-20日。白料：全水发泡料。常规料参数：乳白时间18±3 s,拉丝时间75±10 s,脱黏时间110±15 s,自由泡密度25.5～27.4 kg/m3。现象：开裂、脱皮严重,管口气泡。试验结果：模压泡高温尺寸稳定性不合格,整机冷冻试验及热损试验合格,说明需调整发泡料性能参数,改善管口质量及尺寸的稳定性。

时间：2018年8月16日。白料：全水发泡料。现象：有脱皮、管口缺料现象。试验结果：整机冷冻试验及整机热性能合格。现有全水料在D型线生产,逐台检验,外观、性能合格。保温车间报料1.5 t,小批试制。

时间：2019年5月10日。预热室温度47 ℃,内胆温度40 ℃,外皮温度39 ℃,模具温度37 ℃。生产100台。常温,预热温度27 ℃,熟化温度29 ℃,内胆温度24 ℃,外皮温度24 ℃,模具温度24 ℃。黑白料温度25 ℃。生产50台,经2台预热与2台常温发泡对比冷冻试验,结果3台合格,常温发泡水箱有1台不合格,说明需控制熟化室温度才能保证水箱质量合格,即对熟化室进行加热预热,但这会增加些制造成本。

3 结束语

全水发泡技术具有环保、安全、工艺简单、操作简便、成本合理等优势,而全水发泡料是替代HCFC-141b的理想材料,可解决环境污染问题。对全水发泡聚氨酯组合聚醚原料、助剂及各项工艺指标进行考核,对原有设备及工艺参数进行调整并用于HCFC-41b发泡生产线上,通过多次工艺验证及样件、样机实验,按照合格样品工艺参数进行小批量生产,试销结果满足用户使用需求,问题较少,只有个别高温脱盖情况。针对存在的问题,仍需进一步改进全水发泡料,令其适应环境及使用要求。