海綿就是泡沫密度低于18 kg/m3以下的低密度PU,方法通常是水用量超過4.5份(每100份多元醇),TDI用量超過55份,泡沫的散熱問題就非常突出,由于泡沫內部的熱量不易散發,在發泡過程中溫度自動升溫超過180℃,會引起泡沫自燃,導致火災危險。國內外解決辦法有三個,即負壓發泡技術、強制冷卻技術和液態CO2發泡技術。
1、負壓發泡技術
通常,泡沫發泡過程中,泡孔要承受大氣壓、泡沫自身重量和發泡時的氣體膨脹力這三種壓力。
P1為大氣壓力,P2為泡孔內部氣體膨脹而使泡孔受到的向外膨脹壓力,G為此泡孔上方的泡沫體重量。
在P≥P1+G+P2下,泡沫才能上升。
在負壓下,P1是一個變量,P2是受P1影響的變量。
根據我們實驗:一旦在發泡時泡沫料所受的外部壓力減少30%(即低于大氣壓力30%),泡沫塑料的密度可以降低15%~20%;當泡沫外界壓力減少50%時,泡沫密度能降低25%~30%。一般,在0.1 MPa(1 atm)下,用水量在4.3份(每100份聚醚多元醇)情況下,可制得密度為24 kg/m3左右的塊泡;當外界壓力降為0.05 MPa時,同樣4.3份水可制得密度為16 kg/m3的塊泡。值得注意的是,必須適當調整泡沫的上升及凝固時間,即延長上升時間、緩遲凝固時間,以保證泡沫在負壓下有充分的發泡機會。
對于連續平頂塊狀海綿,“負壓發泡”的設備投資大,中小企業難以承受,但對于“箱式發泡”,其投資成本不會太大。
建議:建一個圓筒型真空房,形似“真空干燥箱”,再添一臺抽氣量大的真空泵,以保證在30 s內達到所需的真空度。
2、強制冷卻技術
本技術的特點是保證軟質泡沫塑料體的中心溫度不超過170℃,避免自燃及火災的發生。
強制冷卻的目的是在采用高含水量條件下生產出低密度海綿時,保證泡沫體內部溫度不超過臨界溫度170℃。在操作上,這種方法是可行的。只要控制好發泡時間不超過30 min,將大塊泡沫移入強制冷卻室,使泡沫繼續熟化,即可達到目的。
該技術很適合國內大中小企業,投資改造費用少,上馬快,但聚醚生產廠家一定要配合工作,研制出符合高水量低密度PU軟泡品種。
意大利的Enichem研究中心開發出系列聚醚多元醇適用于高水量低密度PU柔軟級、超軟級、軟級泡沫品牌,其商品名為Tercaflex 9912及PU POL 9917。其柔軟級PU軟泡物性見表2。
表2 柔軟級聚醚型聚氨酯軟泡物性
泡沫編號 16S 18S 21S 25S 30S 40S
配方(質量份)
PU POL 9917 13 13 13 13 13 13
Gledion FG 3505 — — 87 87 87 87
Tercaflex 9912 87 87 — — — —
水 5.3 5.0 4.6 3.9 3.2 3.2
TDI-80指數 98 98 100 100 103 103
續表2 柔軟級聚醚型聚氨酯軟泡物性
泡沫編號 16S 18S 21S 25S 30S 40S
泡沫密度/kg•m-3 16.5 17.3 20.3 24.8 30.3 40.1
拉伸強度/kPa 88 94 103 123 108 98
斷裂伸長率/% 271 288 316 320 303 280
75%壓縮*變形/% 6.1 5.5 4.6 3.1 2.0 1.9
40%壓痕硬度/N 65 81 82 85 95 99
40%壓縮應力/kPa 1.55 1.75 1.83 1.95 2.05 2.25
落球回彈率/% 36 39 40 41 45 50
空氣滲透率/nL•min-1 200 145 138 125 115 99
為了適用于強制冷卻技術的高水量PU軟泡體系,聚醚多元醇的相對分子質量必須超過3000,以消除因高水量所引起脲鍵增加而導致的泡沫回彈變差、伸長率降低、手感惡化的缺陷。同時在聚醚結構中引入氧化乙烯鏈節(EO)的含量要高,以保證聚醚與大量水的互溶。
3、液態CO2發泡技術
液態二氧化碳(LCD)發泡技術,早期由意大利康隆集團公司開發,稱之為“CarDio”技術,一年之后,德國拜耳集團公司的亨內基機械公司也相繼開發成功,稱之為“NovaFlex”技術,該技術之所以引起業界興趣,是因為CO2不僅有可替代軟泡中的二氯甲烷(MC)及CFC-11等輔助發泡劑的功能,而且液態CO2的成本只有MC的四分之一,發泡效率卻高3倍多。國外,康隆公司和亨內基公司都已在“Maxfoam”發泡機組上進行適當的調整改造,生產出泡沫密度約為14 kg/m3的平頂連續泡沫(泡沫寬2.2m、高1.2m)和模塑泡沫等。CarDio法泡沫比以往的Maxfoam泡沫有較柔軟的手感、高度的開孔結構及良好的回彈性。
在軟泡配方方面,率表面活性劑的選用,胺類催化劑與錫催化劑的優化組合,是生產商品級CO2發泡PU泡沫的保證。通常,在液態CO2發泡技術中,錫催化劑的用量比MC發泡技術的少。4份液態CO2相當于13份MC所起到的作用,而水量要適當增加一些,以保證泡沫的硬度。
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