聚氨酯发泡工艺简介

1、聚氨酯发泡工艺简介聚氨酯硬泡生产工艺硬泡成型工艺聚 氨酯硬泡的基本生产方法聚 氨酯硬泡一般为室温发泡，成型工艺比较简单。按施工机械化程度可分为手工发泡和机械发泡。根据发泡时的压力， 可分为高压发泡和低压发泡。按 成型方式可分为浇注发泡和喷涂发泡。浇注发泡按具体应用领域、制品形状又可分为块状发泡、模塑发泡、保温壳体浇注等。根 据发泡体系可发为HCFC 发泡体系、戊烷发泡体系和水发泡体系等， 不同的发泡体系对设备的要求不一样。按 是否连续化生产可分为间歇法和连续法。间歇法适合于小批量生产。连续法适合于大规模生产， 采用流水线生产方法， 效率高。按 操作步骤中是否需预聚可分为一步法和预聚法(或半预聚

2、法)。 1 手工发泡及机械发泡在 不具备发泡机、模具数量少和泡沫制品的需要量不大时可采用手工浇注的方法成型。手工发泡劳动生产率低， 原料利用率低， 有不少原料粘附在容器壁上。成品率也较低。开发新配方，以及生产之前对原料体系进行例行检测和配方调试， 一般需先在实验室进行小试， 即进行手工发泡试验。在 生产中， 这种方法只适用于小规模现场临时施工、生产少量不定型产品或制作一些泡沫塑料样品。手工发泡大致分几步： (1) 确定配方， 计算制品的体积， 根据密度计算用料量，根据制品总用料量一般要求过量5 15 。(2) 清理模具、涂脱模剂、模具预热。(3) 称料， 搅拌混合， 浇注， 熟化， 脱模。手

3、工浇注的混合步骤为： 将各种原料精确称量后， 将多元醇及助剂预混合， 多元醇预混物及多异氰酸酯分别置于不同的容器中， 然后将这些原料混合均匀， 立即注入模具或需要充填泡沫塑料的空间中去， 经化学反应并发泡后即得到泡沫塑料。在 我国，一些中小型工厂中手工发泡仍占有重要的地位。手工浇注也是机械浇注的基础。但在批量大、模具多的情况下手工浇注是不合适的。批量生产、规模化施工， 一般采用发泡机机械化操作， 效率高。 2 一步法及预聚法目前，硬质聚氨酯泡沫塑料都是用一步法生产的，也就是各种原料进行混合后发泡成型。为了生产的方便， 目前不少厂家把聚醚多元醇或(及)其它多元醇、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂等原料

4、预混在一起， 称之为“ 白料”， 使用时与粗MDI(俗称“ 黑料” )以双组分形式混合发泡， 仍属于“ 一步法”， 因为在混合发泡之前没有发生化学反应。早 期 的聚氨酯硬泡采用预聚法生产。这是因为当时所用的多异氰酸酯原料为TDI-80。由于TDI 粘度小， 与多元醇的粘度不匹配； TDI 在高温下挥发性大； 且与多元醇、水等反应放热量大， 若用一步法生产操作困难， 故当时多用预聚法。若 把全部TDI 和多元醇反应， 制得的端异氰酸酯基预聚体粘度很高， 使用不便。硬泡生产中所指的预聚法实际上是“ 半预聚法”。即首先TDI与部分多元醇反应， 制成的预聚体中NCO 的质量分数一般为20% 25%。由

5、于TDI大大过量， 预聚体的粘度较低。预聚体再和聚酯或聚醚多元醇、发泡剂、表面活性剂、催化剂等混合， 经过发泡反应而制得硬质泡沫塑料。预聚法优点是： 发泡缓和， 泡沫中心温度低， 适合于模制品； 缺点是： 步骤复杂、物料流动性差， 对薄壁制品及形状复杂的制品不适用。自 从 聚合MDI 开发成功后， TDI 已基本上不再用作硬质泡沫塑料的原料， 一步法随之 取代了预聚法。浇 注成型工艺浇 注发泡是聚氨酯硬泡常用的成型方法， 即就是将各种原料混合均匀后， 注入模具或制件的空腔内发泡成型。聚氨酯硬泡的浇注成型可采用手工发泡或机械发泡，机械发泡可采用间歇法及连续法发泡方式。机械浇注发泡的原理和手工发泡

6、的相似，差别在于手工发泡是将各种原料依次称入容器中，搅拌混合；而机械浇注发泡则是由计量泵按配方比例连续将原料输入发泡机的混合室快速混合。硬泡浇注方式适用于生产块状硬泡、硬泡模塑制品， 在制件的空腔内填充泡沫， 以及其它的现场浇注泡沫。块状硬泡及模塑发泡块 状硬质泡沫塑料指尺寸较大的硬泡块坯， 一般可用间隙式浇注或用连续发泡机生产。块状硬泡切割后制成一定形状的制品。模塑硬泡一般指在模具中直接浇注成型的硬泡制品。块状硬泡的生产方法和连续法块状软泡及箱式发泡软泡相似。原料中可加入一定量的固体粉状或糊状填料。块状硬泡在模具顶上常装有一定重量的浮动盖板。反应物料量按模具体积和所需泡沫塑料密度计算，另加3

7、 5 比较合适。这种情况下，泡沫上升受到浮动盖板限制， 结构更为均匀， 各向异性程度减小。也可用自由发泡生产块状硬泡，即在没有顶盖的箱体内发泡，泡沫密度由配方决定。小体积(体积小于0.5 m3， 厚度不大于10cm)聚氨酯硬泡生产配方及工艺目前已经成熟， 国内普遍采用。大体积块状硬泡发泡工艺难度较大， 国内生产厂家少。在大体积聚氨酯硬泡生产中， 应注意防止泡沫内部产生的热量积聚而引起烧芯。一般需控制原料中的水分， 不用水发泡以减少热量的产生， 尽量采用物理发泡剂以吸收反应热， 降低发泡原料的料温。间隙式箱式发泡和模塑发泡，发泡过程大致是这样的：多元醇、发泡剂、催化剂等原料精确计量后置于一容器中

8、预混合均匀， 加入异氰酸酯后立即充分混合均匀， 具有流动性的反应物料注入模具， 经化学反应并发泡成型。箱式块状发泡工艺的优点是投资少， 灵活性大。一个模具每小时一般可生产两块硬泡。缺点是原料损耗大， 劳动生产率低。模塑发泡是在有一定强度的密闭模具(如密闭的箱体)内发泡， 密度由配方用量和设定的模具体积来决定。一般用于生产一些小型硬泡制品， 如整皮硬泡、结构硬泡等。模塑发泡的模具要求能承受一定的模内压力。原料的过填充量根据要求的密度及整皮质量而定。大 体 积块状泡沫一般需用发泡机混合与浇注物料。高、低压发泡机均可。机械发泡， 发泡料的乳白时间远比搅拌式混合的短。因此，生产大块泡沫塑料，最好选用大

9、输出量发泡机。连 续法生产块状硬泡的过程与块状软泡的相似， 所用发泡机， 其原理和外观也与生产软泡的机器相似。如Planibloc平顶发泡装置也适用于生产块状硬泡。浇注成型中的注意事项浇 注发泡成型的催化剂以胺类催化剂为主， 可采用延迟性胺类催化剂延长乳白时间， 满足对模具的填充要求， 这类催化剂可提高原料体系的流动性， 但不影响其固化性。异氰酸酯指数稍大于100， 如105。浇 注发泡成型过程中， 原料温度与环境温度直接影响泡沫塑料制品的质量。环境温度以 20 30 为宜， 原料温度可控制在20 30 或稍高一些。温度过高或过低都不易得到高质量的制品。对船舶、车辆等大型制品现场浇注成型， 难

10、以控制环境温度， 则可适当控制原料温度并调节催化剂用量。 对模具的要求是结构合理， 拆装方便， 重量轻， 耐一定压力， 并且内表面还要有较好的光洁度。同时还要根据模具的大小和不同的形状， 在合适的位置钻多个排气孔。制造模具的材质一般是铝合金， 有时也用钢模。模具温度的高低直接影响反应热移走的速度。模温低，发泡倍率小， 制品密度大， 表皮厚； 模温高则相反。为制得高质量的泡沫塑料制品， 一般将模温控制在40 50 范围。料温和模温较低时， 化学反应进行缓慢， 泡沫固化时间长； 温度高， 则固化时间短。在 注入模具内发泡时， 应在脱模前将模具与制品一起放在较高温度环境下熟化， 让化学反应进行完全。

11、若过早脱模， 则熟化不充分， 泡沫会变形。原料品种与制件形状尺寸不同，所需的熟化时间和温度也不同。一般模塑泡沫在模具中需固化10min 后才能脱模。由 于混合时间短， 混合效率是需重视的因素。手工浇注发泡， 搅拌器应有足够的功率和转速。混合得均匀， 泡沫孔细而均匀， 质量好； 混合不好， 泡孔粗而不均匀， 甚至在局部范围内出现化学组成不符合配方要求的现象， 大大影响制品质量。聚氨酯硬泡喷涂成型聚 氨酯硬泡喷涂发泡成型即是将双组分组合料迅速混合后直接喷射到物件表面而发泡成型。喷涂是聚氨酯硬泡是一种重要的施工方法， 可用于冷库、粮库、住宅及厂房屋顶、墙体、贮罐等领域的保温层施工， 应用已逐渐普及。

12、喷 涂发泡成型的优点是： 不需要模具； 无论是在水平面还是垂直面、顶面， 无论是在形状简单的物体表面或者还是复杂的表面， 都可通过喷涂方法形成硬质聚氨酯泡沫塑料保温层； 劳动生产率高； 喷涂发泡所得的硬质聚氨酯泡沫塑料无接缝， 绝热效果好， 兼具一定的防水功能。低压及高压喷涂一 般按喷涂设备压力分为低压喷涂和高压喷涂，高压喷涂发泡按提供压力的介质种类又分为气压型和液压型高压喷涂工艺。低 压喷涂发泡是靠柱塞泵将聚氨酯泡沫组合料“ 白料” (即组合聚醚)、“ 黑料” (即聚合 MDI)这两种原料从原料桶内抽出并输送到喷枪枪嘴， 然后靠压缩空气将黑白两种原料从喷枪嘴中吹出的同时使之混合发泡。低压喷涂

13、发泡的缺点是： 原材料损耗大， 污染环境； 黑白两种原料容易互串而造成枪嘴、管道堵塞， 每次停机都要手工清洗枪嘴； 另外压缩空气压力不稳定， 混合效果时好时坏， 影响发泡质量， 喷涂表面不光滑。但低压喷涂发泡设备价格较高压机低。低 压喷涂发泡施工是一般先开空气压缩机， 调节空气压力和流量到所需值， 然后开动计量泵开始喷涂施工， 枪口与被喷涂面距离300 500mm， 以流量1 2 kg/min、喷枪移动速度0.5 0.8 s/m 为宜。喷涂结束时先停泵， 再停压缩空气， 拆喷枪， 用溶剂清洗之。高 压喷涂发泡， 物料在空间很小的混合室内高速撞击并剧烈旋转剪切， 混合非常充分。高速运动的物料在喷

14、枪口形成细雾状液滴， 均匀地喷射到物件表面。高压型喷涂发泡设备与低压型喷涂发泡设备相比， 具有压力波动小、喷涂雾化效果好、属无气喷涂、原料浪费少、污染小、喷枪自清洁等一系列优点。目前国内高压喷涂设备主要来自美国Glas-Craft公司、 Graco 公司、Gusmer 等公司。进口的高压喷涂机有的带可控加热器， 可把黑白料加热(最高达70 )。为了方便施工， 在主加热器与喷枪之间配备长管。为防止两个发泡料组分在流经长管道时冷却降温， 长管外面包有保温层， 内有温度补偿加热器， 以保证黑料、白料达到设定的温度。选 择合适的喷涂发泡设备， 是控制硬质聚氨酯喷涂泡沫平整度及泡沫质量的关键之一。高压喷

15、涂发泡效果明显优于低压喷涂发泡。喷涂发泡工艺对原料的要求 毒性小， 喷涂发泡时， 原料喷散成很细的液滴， 为减少对环境的污染和操作人员的健 康， 除发泡剂外， 其它原料中的低沸点成分应严加控制， 臭味大的叔胺催化剂尽量少用。特别是聚合MDI 中， 易挥发低相对分子质量的异氰酸酯含量要控制在很低范围内。 粘度小， 有利于在极短时间内混合均匀。 催化剂活性要大， 因为喷涂发泡工艺要求反应速度较快， 泡沫应很快固化， 不流淌。一 般 选用三亚乙基二胺、二月桂酸二丁基锡等催化剂。具有催化作用的叔胺类多元醇， 如由乙二胺与环氧丙烷反应制得的俗称“ 胺醚” 的多元醇， 常常用于喷涂发泡。组合料的固化速度应

16、调节在适当的范围， 如乳白时间3 5s， 不粘时间10 20 s。这样， 能保证反应液混合后立即在喷射面固化， 形成泡沫塑料。这一点， 对由下往上的顶部喷涂特别重要。关 于喷涂发泡的环境条件， 有几点应注意。（ 1） 喷涂发泡环境温度与待喷物体的表面温度较合适的温度范围是15 35 。有的施工单位把5 8 作为最低温度界限。温度过低， 泡沫塑料容易从物体表面脱落， 而且泡沫塑料的密度明显增大。温度在15 25 范围内， 泡沫塑料的密度没有明显变化； 温度为5 时， 密度明显升高。环境温度过高， 发泡剂损耗太大。（ 2） 异氰酸酯很容易和水反应生成含脲键结构。这种结构含量增高， 则泡沫塑料较脆。

17、待喷涂物体表面若有露水或霜， 应予以去除， 否则， 泡沫塑料的脆性增大， 且影响与物体表面的粘接性。（ 3） 在室外进行喷涂发泡作业， 当风速超过5 m/s 时， 因反应产生的热量被风吹失，热量不易积累， 妨碍泡沫塑料进一步快速发泡反应， 不易得到优质泡沫塑料。另外， 风速过大， 原料损耗也大。为防止喷涂物料细滴的飞散， 减少对环境的污染， 必要时， 可用防风帷幕。（ 4） 待喷物体表面要无锈、无粉尘、无油污和无潮气。必要时， 应预先进行清洗和干燥， 达到上述要求。（ 5） 应注意安全卫生问题， 加强劳动保护。要戴防护镜， 避免在施工时吸入有害化学原料。喷 涂 泡 沫塑料是一层层堆积起来的，一

18、次喷涂的厚度要适宜。一次喷涂厚度一般为10 30mm， 最好为15 20mm。具体厚度取决于泡沫塑料原料体系、温度、被喷基材的热导率等因素。一次喷涂厚度太薄， 泡沫塑料的密度增大。一次喷涂厚度过大， 反应放热难以发散，容易产生烧芯变形等现象。喷涂发泡施工注意事项环 境温度和待喷涂表面的温度应在10 以上。温度过低， 泡沫塑料与物体表面的粘接性差， 易脱离， 而且泡沫密度明显加大。环境温度最好在15 35 之间。温度太高， 则发泡剂损耗大。一 次喷涂的厚度要适宜， 单层喷涂的厚度约15 mm 为宜。厚度太薄， 泡沫密度增大，太厚则不易控制喷涂表面的平整度。待 喷涂物体表面不能有油、灰尘等。若表面

19、有露水或霜， 应予以除去， 否则将影响泡沫与物体表面的粘接性， 影响泡沫性能。在 室外喷涂时， 当风速超过5m/s 时， 物料和热量损失大， 不易得到满意的泡沫层， 并且污染环境。必要时可使用防风帷幕。聚 氨酯保温层喷涂施工结束后必须严格保护， 以免破坏隔热效果或造成其它问题。隔汽层及聚氨酯硬泡表面均需采取保护性措施。地坪喷涂完毕后必须作好防水层及其上面的水泥砂浆保护层。墙面泡沫喷涂完毕后也必须采取其面层保护措施， 以防碰坏。国 内贸易工程设计研究院是我国开展冷库喷涂施工的单位之一，该院对喷涂硬泡的施工提出了一个规程， 其中对喷涂硬泡提出六项主要技术指标如下： (1) 密度墙 、顶喷涂泡沫密度

20、 37 kg/m3， 地面 45 kg/m3； (2) 压缩强度(形变10 时的压缩应力) 用 于 墙面、顶面为 147kPa， 一般地坪 245 kPa， 行走叉车的地坪 294 kPa； (3) 导热系数墙 、顶泡沫 0.022W/(m K)， 地坪 0.024W/(m K)； (4) 尺寸稳定性不 大于2 ； (5) 吸水率按 照GB8810 规定 4 ； (6) 阻燃性能按 照GB2406 80 规定(样块尺寸150mm 12.5mm 12.5mm)， 氧指数 26， 按照GB8333 87 规定离火自熄时间必须达到“ 0 ” 级标准。 5.1.4 块 状聚氨酯硬泡生产及加工技术 5.

21、1.4.1 块 状聚氨酯硬泡的生产块 状硬质泡沫塑料是指尺寸较大的泡沫块， 截面积大多接近矩形， 用于切割制作一定形状的制品。所以， 块状硬泡是一种坯料。生产方法分为间歇与连续两种类型。硬 质块状泡沫的制造必须符合下列要求：泡 沫块体尺寸要大； 泡沫断面应为正方形或矩形， 以尽量减少切割损失量； 模具的数量要少， 这就要求熟化时间要短； 块状泡沫各部位的密度变化应尽可能地小。间 歇 法生产块状硬泡过程大致是这样的： 多元醇、发泡剂、催化剂等原料精确计量后置于一容器中预混和均匀， 最后加入异氰酸酯立即充分混合。反应物料在达到乳白时间前注入模具， 经化学反应并发泡后得到硬质泡沫塑料。在实验室， 少

22、量的低活性混合物可以用简单的可分散搅拌器手工混合。但当物料多于500g 时， 最好用机械搅拌器混合。从设备供应商那里可以得到许多设计合理的螺旋或涡轮式搅拌器。它的选择取决于发泡反应混合物的多少和粘度。在 间歇法生产块状泡沫中一般使用搅拌式混合。物料必须搅拌均匀才能注入模具， 模具顶上常装有浮动盖板。浮动盖板的重量要合适， 刚好能限制泡沫向上顶起就足够了。该工艺仅须人工投资，特别适用在配方经常改动或原料粘度比较大或原料体系需要加入填料的情况下的批量生产操作， 原料中允许加入一定量的固体粉料或糊状物。这种简单块料工艺能提供每小时每模大约两块泡沫。而每块泡沫必须在泡沫上升终了以后至少需留在模具中10

23、 15min， 以防止泡沫的强度不足而损坏。并且若过早脱模， 泡沫会变形。通常还要保证3 5 过填充量。与自由发泡相比， 这通常足以得到平顶的块料和更加均一的、各向异性不明显的泡沫。该法优点是投资少， 灵活性大。缺点是原料损耗大， 留在混合容器内的原料无法回收； 劳动生产率低， 劳动力费用高； 手工操作化学原料， 有一定潜在不安全因素。图5-1 表示其生产过程。 (1)带铰链的模具， 内涂蜡脱模剂或衬以聚乙烯薄膜； (2)浇入泡沫原料； (3)泡沫正在浮动盖板下上升； (4)泡沫充满模具， 浮动盖板在上， 泡沫呈矩形图 5-1 间 歇法浮动盖板式块状硬泡制法要 克服上述缺点得用发泡机混合与浇注

24、物料。高、低压发泡机均可。反应物料要充分混合， 同样在达到乳白时间前浇入模具中。经过大约十分钟（ 根据反应装置而定） 固化后打开模具， 取出泡沫块。通常， 块状泡沫熟化一周后再进行切割。机械发泡， 反应物料乳白时间远比批量搅拌式混合为短。因此， 生产大块泡沫塑料， 若采用高反应性原料体系， 应选用大 输出量发泡机。例如， 若要生产密度为30kg/m3 硬质泡沫塑料， 模具尺寸为2m 1m 1m，需约66 kg 泡沫原料。若这些原料要在20s 内注入模具， 发泡机浇注量必须达到200kg/min。由此可见， 要求的输出量是很可观的。较 小 输出量的发泡机同样能生产块状泡沫塑料， 如图5-2 所示

25、， 可用一移动分配管将反应液注入模具。模具略倾斜。如用这种改进方法生产截面积为1m 0.5m， 长达数米的泡沫塑料， 机器输出量约50 kg/min 即可。此方法适用于聚氨酯及聚异氰脲酸酯硬泡， 后者发泡过程乳白时间较短。泡沫塑料密度在30 200 kg/m3范围可调节。 1 发泡机； 2 多元醇贮罐； 3 异氰酸酯贮罐； 4 计量泵； 5 混合头图 5-2 块 状 硬 质泡沫塑料生产工艺连 续 法生产块状硬泡是最经济的加工方式。这种方法类似于软质块状泡沫的生产， 所用发泡机， 其原理和外观也与生产软泡的机器相似。原料经计量、混合均匀后连续注入由纸或聚乙烯膜围成的料槽内发泡。料槽安放在运输带上

26、并不断向前移动。大部分连续生产硬泡块料设备的运输系统， 侧壁在垂直方向上可向上移动。侧壁运输带与水平方向移动的运输带同步协调地驱动。有的设备侧壁是固定的， 但其面层紧紧按在垂直辊轮上， 以减少泡沫上升的阻力。顶端受顶部运输带限制， 泡沫只能上升到设备调节的高度， 以形成平顶泡沫。一种改进型被称作planibloc平顶发泡装置（ 如图5-3） 也适用于块状硬泡。要 生 产高质量块状硬泡，原料体系乳白时间宜短，上升时间应可调节，不粘时间也宜短。乳白时间与不粘时间短的原料体系， 有利点在于： 生产的硬泡， 泡孔细而均匀， 性能较好；发泡设备的运输带长度短； 固化快的泡沫塑料， 可较早地切割成一定长度

27、。 1 混合头； 2 顶部纸； 3 压板； 4 泡沫； 5 运输带图 5-3 planibloc 块状泡沫塑料生产装置块状聚氨酯硬泡的加工技术 连续加工适用于大批量生产建筑用板材，而间歇加工方式则用于小批量生产各种尺寸以及复杂结构的板材。可以使用下列制造方法。 1 切割法通 过锯或削 木材加工所用方法在这里也适用 从块状泡沫上切取所需尺码的泡沫块， 然后包覆所需的表面层， 如木板、塑料板、粒子板、玻璃纤维增强塑料板。以聚氨酯、不饱和聚酯、环氧树酯、聚醋酸乙烯酯、氯丁橡胶等为基的粘合剂为宜， 根据所用粘合剂的类型， 固化时需适当加压或加热。在确认所选用溶剂不会损害泡沫体和层压材料之后， 可以使用

28、含溶剂的粘合剂。由玻璃纤维增强塑料组成的表面层， 也可以层压到泡沫层上。凡适用于玻璃纤维增强塑料的其它工艺方法， 如人工贴合、喷涂和真空成型法， 在此都适用。但务必注意用快速固化来限制苯乙烯对泡沫的影响。该 法的优点是： 泡沫的生产很简单； 层压材料的设计及其几何形状易于改变， 可以经济地制作较小的零件。该法的缺点是： 切割块料时有废料； 由于要粘合， 增加了附加工序。 2 泡沫填充法将 反应混合物倒入要填充的空腔里， 在其反应要固化时， 泡沫体便粘到表面层上。在有些应用中， 必须采用特殊的施工步骤， 才能确保泡沫对表面层的良好粘着， 金属片材必须涂敷能增加粘着强度和抗腐蚀的底层材料。如果面对泡沫的那一侧有玻璃纤维露出表面， 则人工压制的玻璃纤维增强塑料就可得到特别好的粘着性能。机械生产的玻璃纤维增强塑料则必须打毛或涂粘合剂。粒子板、石膏板和石棉水泥板， 只要干燥表面无尘， 就能和泡沫粘牢。有 两种现场发泡制造板材的方法 分层浇注料法和注射法。用 分 层浇注料发泡法时， 将反应混合物浇注到立式模具开口端的各个表面层之间。混合物的用量必须称量， 以使每层的厚度不超过20 25cm。如果每层的厚度大于这个数值， 则泡沫的强度和尺寸稳定性就会受到不利的影响。注料的时间间隔至少应有2min， 以使底层有机会固化。需注