1. 引言
真空/减压发泡技术实质上是负压发泡技术,是以发泡干机夹具为核心,结合抽真空系统,在发泡设备领域取得的突破。对现有发泡生产线的干机部分(夹具、模具)做重大改进,使其具有良好的密封性,在发泡过程中抽真空,保持发泡模空腔具有一定真空度(压力为700~900 mbar),在负压环境下发泡充填。首先由意大利Cannon (康隆)、美国DOW (陶氏)、国内海尔三家合作开发并实现产业化应用。其主要特点是 [1] :发泡速度快、脱模时间短、泡沫密度和导热系数可降低,还能提高冰箱发泡效率,减少原材料用量,节约资源。
然而目前的负压发泡工艺其注泡过程和充填过程均在负压环境中,注泡过程中(包括乳白阶段)发泡剂在抽真空时损耗过大,不仅影响泡沫的绝热性能,且导致泡沫起发阶段较脆弱,泡沫起发阶段抽真空会使泡孔拉长甚至并泡、破泡,影响绝热性能,影响泡沫表面的外观质量。
相比目前使用的纯环戊烷体系的真空发泡技术,本文采用环戊烷 + HFO-1233zd (Solstice LBA)的环保型混合多元发泡剂,通过调整原料配方,并优化发泡工艺,即采用常压注泡、负压充填、常压环境固化和脱模的新发泡工艺,开发出基于环戊烷为主体的负压发泡技术。
2. 实验部分
2.1. 主要原料和设备
发泡剂HFO-1233zd (Solstice LBA),美国Honeywell公司;环戊烷,茂名石化;聚合MDI,烟台万华(PM2010);组合聚醚,陶氏。
高压发泡机,型号1250P/MT 26,Hennecke公司(见图1);热导率仪器,EKO HC-074,美国TA仪器公司;微机控制电子万能试验机,型号CMT6503,深圳市新三思材料检测有限公司。
2.2. 试验方法
混合发泡体系采用环戊烷 + LBA混合发泡剂,现行负压发泡技术采用纯环戊烷发泡剂。
冰箱传统常压发泡制作方式:将聚合MDI和混合好的组合聚醚在常压环境(发泡模)下注泡、充填、固化和脱模。
冰箱现行负压发泡制作方式:将聚合MDI和混合好的组合聚醚在负压环境(发泡模、模具封闭)下注泡,负压环境下充填,常压环境固化和脱模,负压压力为700~900 mbar。
冰箱常压注泡负压发泡制作方式:将聚合MDI和混合好的组合聚醚在常压环境(发泡模、模具封闭)下注泡,负压环境下充填,常压环境固化和脱模,负压压力为700~900 mbar。
2.3. 测试分析
将发泡好的箱体常温放置24小时,测量箱体侧板变形量,解剖箱体取泡沫,泡沫密度、导热系数、压缩强度、尺寸稳定性按GB-T 6343-2009、GB-T 10294-2008、GB-T 8813-2008、GB-T 8811-2008、GB-T 26689-2011 [2] [3] [4] [5] [6] 标准测定,箱体装配整机后耗电量按GB/T 8059-2016 [7] 标准测定。
3. 结果与讨论
3.1. 不同负压发泡工艺比较
目前的负压发泡工艺是在负压环境下注泡与充填,而本文比较了纯环戊烷发泡体系、环戊烷 + LBA环保型混合发泡体系经不同的负压发泡工艺,制作的箱体泡沫性能及外观见表1和图:
其中:
1) 方案一为注泡前冰箱发泡模处于负压环境中;
2) 方案二为注泡完成3~5 s后冰箱发泡模处于负压环境中;
3) 方案三为注泡完成后冰箱发泡模立即处于负压环境中。
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Table 1. Comparison of different Vacuum Foaming processes
表1. 不同负压发泡工艺比较
备注:
1、试验型号:海信400 L左右冷藏冷冻冰箱。
2、固化时间:发泡料注入发泡腔至打开发泡模具的时间。
3、自由泡密度:泡沫在自由状态下(无模具)发泡制备的泡沫去除表皮的芯部密度。
4、模塑芯密度:模塑泡沫去除表皮的芯部密度。
5、密度分布:各部位模塑芯密度的最大值与最小值之差。
图2和图3为纯环戊烷发泡体系负压发泡箱体外观图片。
图4~图6为环戊烷 + LBA负压混合发泡箱体外观图片。
从表1中数据和外观比较可以看出:
首先,相比纯环戊烷发泡体系,同等工艺方案下环戊烷 + LBA混合发泡体系的泡沫模塑芯密度和导热系数更低、发泡箱体脱模时间更短,说明环戊烷 + LBA混合发泡体系具备更好的经济性和保温效果,以及更快的箱体发泡生产效率。
另外,无论是纯环戊烷发泡体系,还是以环戊烷为主体的环戊烷 + LBA环保型混合发泡体系,箱体泡沫外观、密度分布、导热系数均是注泡完成后3~5 s开始抽真空的负压发泡工艺方式(方案二)最优。
这是因为方案一中,注泡开始阶段,发泡剂在负压环境下损耗过大(特别是沸点低、蒸汽压高的发泡剂),此外,泡沫起发阶段,泡孔壁的强度较脆弱,抽真空会使泡孔拉长甚至并泡、破泡,导热系数上升,泡沫表面的外观质量变差,最终影响成品的保温效果及发泡质量。
而通过常压注泡、负压充填法制备聚氨酯泡沫,在反应物完成乳白反应,进入扩链、交联反应阶段后,发泡剂被包裹在发泡料中,发泡料粘度迅速增加,此时再抽真空进行负压发泡,发泡剂的损失就会减少,同时还能够最大程度上减轻对泡孔的破坏,减少破泡、并泡的现象,在快速充填的过程中生成更微细、均匀的泡孔,从而增强泡孔的强度,提高泡沫绝热性能和改善外观质量。
3.2. 负压混合发泡与传统常压混合发泡比较
选择混合发泡体系环戊烷 + LBA发泡剂,且负压发泡工艺为2.1中的方案二,表2为负压混合发泡与常压混合发泡冰箱侧板不平度、泡沫物化性能及整机耗电量比较,图7~图8为负压混合发泡与常压混合泡沫扫描电镜图片。
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Table 2. Comparison of mixed vacuum foaming and mixed foaming under normal atmospheric pressure
表2. 负压混合发泡与常压混合发泡比较
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Figure 7. Normal pressure foaming foam scanning electron microscope
图7. 常压发泡泡沫扫描电镜
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Figure 8. Vacuum foaming foam scanning electron microscope
图8. 负压发泡泡沫扫描电镜
由表2及图7~图8可以看出,与传统常压混合发泡技术比较,本文研究的负压混合发泡技术:
1) 具有更快的反应速度,可明显缩短箱体固化时间,提高冰箱发泡生产效率25%左右,而箱体侧板面变形量接近。
2) 注泡量减少5%左右,更少的注泡量有利于箱体脱模,平均模塑芯密度降低5%左右,同时泡沫压缩强度没有降低,负压混合发泡在一定的负压环境下,泡料流动阻力减小,密度分布更加均匀,泡沫表面气泡减少,原材料用量减少,节约资源。
3) 泡沫泡孔平均直径减小,泡孔更加细腻并接近球形状,因此具有更低的泡沫导热系数,实际测试导热系数降低了4%左右,箱体整机耗电量也有优势,说明负压混合发泡具有更好的冰箱保温效果,节约能源。
4. 结论
本文通过开发常压注泡、负压充填的新发泡工艺,解决了现行负压发泡技术发泡剂损耗大的难题,进一步降低了导热系数。与常压混合注泡方式相比,负压混合发泡技术可提高冰箱发泡效率,减少原材料用量,并降低泡沫导热系数和整机冰箱耗电量,节约资源和能源。
参考文献
NOTES
*通讯作者