毕业设计（论文）-聚氨酯发泡工艺及在外墙保温工程应用现状及分析.doc

北化航天工业学院毕业论文摘要聚氨酯泡沫是目前保温性能最好的泡沫塑料，由于优良的性能将在保温领域有广阔的市场。本文主要阐述聚氨酯泡沫的组分、发泡工艺和发泡工艺控制、聚氨酯的成型设备介绍以及聚氨酯泡沫在墙体保温中的应用关键词：聚氨酯 发泡 保温abstractpolyurethane foam is the best performance of the foam insulation, due to excellent performance in the insulation field, there is a vast market. this article discusses the component polyurethane foam, foam craft and foaming process control, polyurethane and polyurethane foam molding equipment introduction of insulation in the wallkeywords: polyurethane foam insulationii目录摘要iabstractii第一章 绪论11.1建筑节能的必要性与形势11.2常见外墙保温体系21.2.1浆料类外墙外保温体系21.2.3聚氨酯（pu）硬泡外墙外保温系统31.2.4各种复合外墙外保温系统41.3聚氨酯的现状及发展51.4研究意义6第二章 聚氨酯成型工艺及设备72.1原料72.2发泡原理92.3发泡成型方法102.3.1一步法发泡工艺102.3.2 两步法发泡工艺132.4常用成型设备介绍152.4.1设备概述152.4.2聚氨酯高压发泡机结构、工作原理及特点162.5喷涂成型172.5.1喷涂成型概述172.5.1 配方及性能182.5.3喷涂发泡方法192.5.4喷涂成型设备及改进22第三章 聚氨酯外墙保温工程具体应用现状及分析243.1应用进展243.2具体应用及分析243.3存在的问题263.4聚氮酯外墙保温未来发展设想27第四章 总结28致谢29参考文献30第一章 绪论1.1建筑节能的必要性与形势建筑节能是指在建筑物的设计、建造和使用过程中，执行建筑节能的标准和政策，使用节能型的建材、器具和产品，提高建筑物的保温隔热性能和气密性能，提高暖通、空调系统的运行效率，以减少能源消耗。 当前，随着经济社会的高速发展，节能已成为世界性的话题。建筑是耗能大户，不仅生产建材要耗能，更大量地是每年经常性地使用能耗，而且，随着生活水平的不断提高，人们对居住条件舒适性的要求也越来越高，这必然会更大的增加能耗。我国目前房屋单位面积的采暖能耗是同等条件下发达国家的3倍，能耗较高的原因，除了我国能源利用效益较低以外，主要是因为建筑外围护结构的保温性能较差。这不仅会长期大量地浪费珍贵的能源，关键会造成严重的环境污染。恶化了的环境反过来使资源质量变劣，生产能力降低，从而形成资源环境双向恶性循环。从这里看，建筑节能是缓解我国能源紧缺矛盾，减轻环境污染，促进经济持续发展的一项最直接、最有效的根本措施。建设节约型社会，全面落实科学发展观是当今中国的重大战略决策之一。建筑节能由于在节约能源、减少污染排放、改善环境、创造就业机会、促进传统产业升级、推动科技进步、带动经济发展等方面具有重要意义，成为建设节约型社会的突破口。它的实现，将极大的改善人民生活工作条件，实现人与自然的和谐共存。自1980年至2008年间，我国的年gdp增长速度已经超过了9%，虽然我国的经济增长速度非常迅速，但有2/3是在对资源和生态环境过度透支的基础上实现的，代价巨大。这种粗放型的经济增长显然难以支持我国今后的可持续发展的战略要求。随着城市化进程的加快，建筑耗能逐年大幅度上升，已成为中国能源消费的主体之一。目前，我国建筑能耗已达到全社会能源消费量的32%，成为我国国民经济发展的巨大负担。因此，建筑节能势在必行，刻不容缓。通过建筑节能的发展，一可以缓解能源资源的紧张局面，建筑节能是社会经济发展的需要。二可以减轻大气污染，建筑采暖和饮食用能量是造成大气污染的两个主要因素，如重庆受灰尘和酸雨严重危害，空气污染情况严重。三可以保护生态环境和提高建筑热环境的质量，随着现代化建设的发展和人民生活水平的提高，舒适的建筑热环境日益成为人们生活的需要。四可以实现建筑业更高、更科学、更人性化的需要11.2常见外墙保温体系1.2.1浆料类外墙外保温体系在早期，市面上有一种浆料类外墙外保温体系，但由于此类材料吸水率高，干缩变形大，若达到新的设计标准，计算保温层厚度大，同时施工遍数多、难度大、工期长、费用高，极易造成偷工减料的问题，严重影响工程质量和保温效果，难以达到现行建筑节能设计标准要求。现在国家已经限制使用。1.2.2聚苯板粘贴式外墙外保温体系聚苯板，分为模塑聚苯板（eps板）和挤塑聚苯板（xps板）。两者生产原材料、生产工艺基本相似，是由膨胀性聚苯乙烯颗粒通过发泡、熟化、养护等过程，形成的具有微细闭孔结构的泡沫塑料板材。其中，eps板，其孔结构和空间融合较好，所以其整体尺寸稳定性较好。由于xps板制作是由高温高压下突然变为常压，发泡过程很难控制，如果后面冷却不好，也会引起局部应力集中；xps在发泡的同时，又受整平机的挤压，各向受力和膨胀比例相差很大，其内部孔结构不好，应力集中到一定程度会引起变形，所以其尺寸稳定性较差，当xps的质量差到一定程度，其断裂方式可能会从韧性断裂转为脆性断裂，其工程风险较大。两者性能比较如下：（1）保温隔热性能：相同厚度的eps与xps保温性能是逐渐升高的。eps导热系数为0.041w/(mk)，xps是0.030 w/(mk)。因此达到相同的保效果的情况下，xps板材比eps板材厚度要薄，如全面考虑工艺以及建筑物高度，每平方米的价格xps比eps要贵一些。对于隔热来讲，目前的eps或xps薄抹灰系统都完全满足要求。（2）抗拉强度：目前xps板强度在200kpa250kpa，这种强度国内很多xps板材做不到，eps板材在100kpa以下。对于外墙贴砖或者高层而言，两种板材均需加固即采用固定件辅助固定。xps板的强度虽然比eps板高，但由于xps板材的性质（脆性），在粘贴面积较大时，外墙饰面层开裂的可能性高，尤其是涂料面层。就材料本身而言，柔韧性eps板要优于xps板。（3）耐候性：由于eps板较高的吸水性，所以eps耐候性不如xps系统。但eps板的延展性较xps板好，可克服一定的缺陷。就系统来讲，薄抹灰系统外层的抹面胶本身也具有一定的防水能力，除在施工过程外，完好的二种系统的防水性能均可。（4）透气性：就材料本身而言，eps比xps要好得多。xps几乎没有透气性，在室内外温差较大的地区却是很容易使水气在板的两侧结露。（5）粘结强度：对薄抹灰系统而言，eps板强度低，抗剪切强度也低，板材破坏有可能不是出在粘结面，而是板材中间直接破坏。xps抗拉强度能达到0.1mpa，但由于xps板界面光洁度高，除非用聚合物相当高的乳液来做界面处理才能达到，其成本非常高。（6）表面平整度：由于xps板质较硬，难以保证平整度，此方面eps板明显优于xps板。综上所述，如从两者中选择其一，建议使用eps板粘贴式外墙外保温系统。1.2.3聚氨酯（pu）硬泡外墙外保温系统聚氨酯全称为聚氨基甲酸酯，简称pu，是分子结构中含有hcoo单元的高分子化合物。聚氨酯发泡体在现场采用高压喷涂设备喷涂工，使原料分别喷涂设备内的混合室，在一定压力下（0.5mpa）混合发生热反应后直接喷涂发泡成型。原料混合喷涂后的发泡体内有无数微小孔形成微泡孔结构，能阻隔水分渗透，在其表面形成一层光滑的膜，具有很高的憎水性，由于微泡孔的存在，阻隔内外热交换功效得到提高，从而起到保温及自防水的功能。该材料自重轻，可大大降低外墙面载荷，具有足够的强度和抗冲击性能，与混凝土等基层的粘结力强(100kpa)，能保证自身的稳固性和防止接触面处渗水。根据工程实践，将聚氨酯硬泡外墙外保温系统的施工方法分为四类：(1)喷涂法。优点为现场喷涂施工，保温层无接缝，整体性好，防水性能突出；应用范围广，适用于任何形状和部位的施工，对热桥的保温处理十分方便；与墙体基层粘结强度高，不需要加设锚固等；能连续喷涂，施工速度快。缺点为喷涂技术较难掌握，喷涂不易均匀；喷涂施工对环境温湿度及风力等条件较敏感，湿度不能过高，风力不能过大；喷涂聚氨酯硬泡表面较为光滑，需要专用的粘接材料方能保证与面层的粘接强度等。(2)浇注法。优点为与喷涂法相同，与喷涂法不同，浇注法很容易做到聚氨酯硬泡厚度均匀，表面平整；由于浇注入模不存在泡沫飞溅漂浮问题，从而避免了聚氨酯原料的浪费和对周边环境的影响，施工时对环境的风力限制也比喷涂法宽泛；相对于喷涂法，浇注法操作技术难度大大降低，便于聚氨酯外保温技术的推广。缺点为浇注专用模板的选择要求较高；模板支护方式及安装速度，模板板缝的处理是技术难点；浇注高度、浇注速度控制不合理，会产生浇注不均匀现象；浇注时模板鼓胀控制，需要从模板强度及刚度、模板支护方式、聚氨酯材料本身发泡性能综合入手；浇注法虽然对环境的风力不像喷涂法那样敏感，但是对环境湿度和温度也有较严格的要求。(3)粘贴法。该技术与常见的eps板外保温粘贴法施工基本相同，即采用专门的粘接材料将聚氨酯硬泡保温板或保温装饰复合板粘贴于外墙基层表面形成保温系统，其优缺点和eps板及xps板粘贴施工相同。(4)干挂法。所谓干挂法施工，就是采用专门的挂件将聚氨酯硬泡保温板或保温装饰复合板固定于外墙基层表面形成保温系统。根据板材干挂固定方式分为无龙骨体系和有龙骨体系。前者一般采用锚栓固定，后者则采用龙骨。相比于粘贴法，干挂法的优点主要是干法施工，且一般是采用保温装饰复合预制板，施工效率高，保温装饰复合系统的安装可靠性容易保证。其技术关键点主要是需要加强板缝的接缝处理，以提高系统的严密性，防止在保温层与墙面之间形成空气流动层而降低保温效果。此外，还需要加强系统的抗风载荷性能。1.2.4各种复合外墙外保温系统目前，复合保温系统大多是将保温砂浆、聚苯板、聚氨酯中任意两项结合使用，发挥各自优点，以达到保温的效果。(1)玻化微珠聚合物砂浆复合pu/eps外墙外保温系统主要采用玻化微珠粘结双面涂刷界面砂浆的聚苯板，表面再抹10mm微珠粘结找平层，形成复合保温层从而达到保温隔热的要求。(2)聚氨酯灌注xps复合面板外墙外保温系统通过合理的方法把xps板与聚氨酯泡沫结合使用，以胶结剂把xps复合面板粘贴于基层上，在面板与基层间预设的空腔内，灌注硬质聚氨酯泡沫塑料溶液，现场发泡形成的一种新型外墙外保温系统。该技术选用xps挤塑板与硬质聚氨酯泡沫塑料做保温材料，采用科学的系统结合，最大限度减少墙体保温层的厚度，节能效果好，与基层的粘结力强，不渗水。该技术目前在工程中应用还比较少。由于聚氨酯外墙外保温系统各项性能都优于传统的xps、eps外保温系统，因此，在我国应该把聚氨酯材料作为传统建筑保温材料的替代品进行大力推广2。1.3聚氨酯的现状及发展聚氨酯泡沫是目前所有的墙体保温材料中保温性能最好的隔热产品，也是世界上最具前瞻性的保温材料。由于聚氨酯具有其它材料不可比拟的性能，至今已在发达国家广泛应用于建筑物的屋顶、墙体、天花板、地板、门窗的保温隔热等关键建筑物部位。我国对硬质聚氨酯泡沫塑料的应用主要在冷库、冰箱、航空、石油、汽车等行业，但真正将其用在建筑物的外墙外保温上还不多。随着国内建筑节能标准的进一步提高，硬质聚氨酯产品得到了广泛关注和大量应用，围绕这一技术领域而开展一系列研究的机构和企业也逐步增加。据专家预测，硬质聚氨酯类产品将在建筑领域大展宏图3。 我国聚氨酯泡沫塑料发展至今已有40余年，目前的年产量已达40万吨，占聚氨酯总量的60%以上。其中，软质聚氨酯年产量为26万吨。根据哥本哈根国际会议禁用氟里昂发泡剂的决议，我国必须加快寻找替代品的步伐。同时，要开发高阻燃性、低烟雾聚氨酯泡沫塑料，加强结构发泡和高承载泡沫塑料的研制和推广应用，为各行业在新世纪的发展提供有力的支撑和保障。 国内的聚氨酯塑料生产始于20世纪50年代末，到七十年代中期，年产量约为1.5万吨。近十年来，我国的聚氨酯基本原料、助剂及制品得到得到快速发展，引进了180200套先进的发泡设备，大幅度提高了泡沫塑料的生产能力和产量，是生产能力提高到20万吨/年以上，聚氨酯泡沫塑料的年平均增长率为20%30%。1994年实际产量约为10万吨，软质泡沫约6万吨，硬质约为4万吨。1999年，我国聚氨酯泡沫年产量已达19.5万吨，其中软质12万吨，硬质7.5万吨,年表观消费量为19.3万吨。软质泡沫主要用于家具垫衬、装饰、车用垫衬、地毯垫衬、服装衬里、建筑吸声、体育垫材、以及床垫和仪器包装等方面。硬质聚氨酯泡沫用于冰箱、冷库行业做隔热保温材料的占硬质泡沫总量的57.5%；用于石油输送管道化工储罐及工业设备绝热的占15%；用于建筑隔热、吸音、装饰材料及活动房占10%；用于交通运输绝热的占10%；其他的占7.5%。 聚氨酯应用方面我国与发达国家的差距表现在：国外硬质泡沫主要消费与建筑业，占硬质泡沫消费量的50%以上；我国大多用于冰箱冷库，用于建筑业保温尚处于初级阶段。汽车和摩托车工业的飞速发展，为聚氨酯泡沫工业的发展提供了机遇，随着环保节能的不断重视，使在市场也非常广阔4。选用硬质聚氨酯作为建筑保温材料的优势 1、硬质聚氨酯导热系数低，热工性能好。当硬质聚氨酯容重为3540kg/m3时，导热系数仅为0.0180.023w/(m2.k)，约相当于eps的一半，是目前所有保温材料中导热系数最低的。 2、硬质聚氨酯具有防潮、防水性能。硬质聚氨酯的闭孔率在90%以上，属于憎水性材料，不会因吸潮增大导热系数，墙面也不会渗水。 3、硬质聚氨酯防火，阻燃，耐高温。聚氨酯在添加阻燃剂后，是一种难燃的自熄性材料，它的软化点可达到250摄氏度以上，仅在较高温度时才会出现分解；另外，聚氨酯在燃烧时会在其泡沫表面形成灰，这层灰有助隔离下面的泡沫，能有效地防止火灾蔓延。而且，聚氨酯在高温下也不产生有害气体。 4、由于聚氨酯板材具有优良的隔热性能，在达到同样保温要求下，可使减少建筑物外围护结构厚度，从而增加室内使用面积。 5、抗变形能力强，不易开裂，饰面稳定、安全。 6、聚氨酯材料孔隙率结构稳定，基本上是闭孔结构，不仅保温性能优良，而且抗冻融、吸声性也好。硬泡聚氨酯保温构造的平均寿命，在正常使用与维修的条件下，能达到30年以上，能够做到在结构的寿命期正常使用条件下，在干燥、潮湿或电化腐蚀，以及由于昆虫、真菌或藻类生长或者由于啮齿动物的破坏等外因影响，都不会受到破坏。 7、综合性价比低。虽然硬质聚氨酯泡沫材料的单价比其它传统保温材料的单价高，但增加的费用将会由供暖和制冷费用的大幅度减少而抵消。另外，聚氨酯墙体保温材料比其他保温材料施工简易，周期短。表1-采用硬质聚氨酯泡沫塑料与其他传统保温材料费用比较表1-1屋面用硬质聚氨酯塑料与其他保温材料的费用比较单位：元屋面结构原材料硬质聚氨酯泡沫塑料（5cm）加气混凝土（30cm）水泥蛭石（30cm）水泥炉渣（30cm）三毡四油一砂防水层22.4522.4522.45水泥砂浆防水层（3cm）8.258.258.258.25保温层6045.765038.4一毡二油隔气层8.688.688.68水平砂浆找平层（2cm）5.095.095.095.09合计73.3490.2394.4782.871.4研究意义放眼全球,建筑节能备受瞩目。作为建筑节能重要组成部分的外墙外保温系统也因各国情况不同而呈现出技术水平的差异化,美国、德国等发达国家已有近40年的应用历史,针对本国的建筑结构特点和气候条件,其应用已相当成熟;而我国外墙外保温系统的研究和应用开始于大约10年前,目前还处在大力发展时期,尤其在防火安全性方面,一直都存在巨大的安全隐患,和保温材料相关的火灾事故时有发生。因此,在现今国内建筑多为高层甚至超高层、保温系统的主体保温材料约80%为有机易燃品、保温系统以聚苯板薄抹灰外墙外保温系统为主的现状下,如何通过对国外先进技术的借鉴和对国情的分析,自主创新开发出具有独立知识产权的且能彻底解决大部分现有外墙外保温系统耐火性差等弊病的外墙外保温系统,是摆在研发人员面前的事关民生安全的重要课题5。第二章 聚氨酯成型工艺及设备聚氨酯泡沫塑料的主要特征是具有多孔性，因而密度低，比强度高。根据所用原料不同和配方的变化，可制成软质、半硬质和硬质塑料等几种；若按所用的多元醇品种分类又可分为聚酯型、聚醚型聚氨酯泡沫塑料等若按其发泡方法分类又有块状模塑和喷涂聚氨酯泡沫塑料等类型。下面从原料合成型原理叙述。2.1原料生产聚氨酯泡沫塑料的主要原料是异氰酸酯和多元醇，还有其他一些助剂 1异氰酸酯异氰酸酯是生产聚氨酯泡沫塑料的主要原料之一。异氰酸酯是一种反应活性极高的化合物，这是它本身的化学结构决定的。它具有较多的不饱和基团nco，除和许多化合物进行加成反应外，还可以在加热或在催化剂作用下发生自身聚合反应。异氰酸酯种类很多，常用的是甲苯二异氰酸酯（简称tdi），其化学结构如下。通常使用的是这两异构的混合物，如甲苯二异氰酸酯80/20和65/35表示2，4和2，6另种异构体的比例，称异构比，简称tdi80/20和tdi65/35。由于空间位阻效应的影响，2，4-tdi的反应活性比2，6tdi的反应活性高，因此异构比高，泡沫的凝胶和发泡反应进行的越快，泡孔的结构趋向闭孔；反之异构比越低，反应活性也低，泡孔花的结构趋向开孔。生产中常采用tdi80/20来生产软质聚醚性泡沫塑料，采用tdi65/35生产软质聚酯型泡沫熟料。2多元醇多元醇使生产聚氨酯泡沫塑料的另一个重要原料，工业上主要使用的聚醚多元醇和聚酯多元醇等。聚醚多元醇是以低分子多元醇为起始剂，在碱催化剂作用下由氧化烯烃开环聚合而得到的末端带羟基的多元醇类。聚酯多元醇是由二元羧酸多元醇，经过缩聚反应而制得的末端带有羟基的多元醇类。羧酸有己二酸、癸二酸和苯甲二酸等，多元醇有乙二醇、丙二酸、己三醇等。通常生产软质泡沫塑料的聚醚或聚酯都是现行的或稍带支链的长链分子，每个大分子带有23个羟基，相对分子质量为20004000.生产硬质泡沫塑料的相对分子质量较小，并且具有支链结构，官能度在38之间。聚酯型聚氨酯泡沫塑料性能优良，但价格较高，一般用于特殊用途。目前多采用聚醚多元醇生产泡沫塑料，其来源广泛、价格低廉、加工性能好，泡沫塑料性能良好。3催化剂为了加快聚氨酯的生成反应和发泡反应，需加入催化剂。生产中一般采用叔胺类化合物，如三乙胺、三亚乙基二胺等。其中叔胺催化剂对异氰酸酯-醇羟基和异氰酸酯-水反应都有较强的催化作用，而锡催化剂对异氰酸酯-羟基反应的催化作用特别明显。两者以适当的配比混合，就能有效地控制链增长和发泡反应平衡进行。4发泡剂二氧化碳是聚氨酯发泡塑料的主要发泡气体，是由异氰酸酯与水反应形成的，水加入量过多会使聚合链具有较多的聚脲结构，以致泡沫塑料发脆，同时产生大量的反应热，因泡沫塑料的热导率低，热不能很快散发出去而使泡沫塑料中心变色、烧焦；加水量过低又难以制的低密度泡沫塑料。因此必须适当的水量。再生产硬质泡沫塑料和低密度软质泡沫塑料时，为了降低密度和异氰酸酯的消耗，常加入氟碳化合物hfc发泡剂和二氯甲烷做发泡剂，它们在发泡过程中吸热而汽化，是聚合物发泡，同时降低了泡沫塑料内部的温度。这类发泡剂的加入使泡沫塑料具有最低的热导率和较好的柔软性。5表面活性剂在聚氨酯泡沫塑料的形成过程中表面活性剂具有如下重要作用。 乳化剂的作用，使发泡各组分混合均匀，以保证泡沫形成的各种反应均衡进行。 成核作用，使气泡在较低的气体浓度下形成。 降低发泡体系的表面张力，以利于气泡的稳定和均匀。常用的表面活性剂有水溶性硅油、磺化脂肪醇、磺化脂肪酸以及其他非离子型表面活性剂等。此外，还可以根据泡沫塑料产品的需要加入阻燃剂、防老剂、增强剂和着色剂等。2.2发泡原理聚氨酯是反应活性很强的化合物，它带有的nco是一个高度不饱和的基团，能与任何一种含有氢原子的化合物相互反应。在聚氨酯泡沫塑料发泡成型过程中，自始至终都伴随着复杂的化学反应。这些反应有以下几种。“凝胶反应”即多异氰酸酯的异氰酸酯基与多元醇的羟基反应生成氨基甲酸酯集团： （2-1）在有水存在的发泡体系中，多异氰酸酯与水反应，经过中间产物生成胺并产生co2气体，即所谓的“发泡反应”： （2-2）生成的胺很快与过剩的异氰酸酯反应生成脲： （2-3） 异氰酸酯与氨基甲酸酯氮原子上的氢反应生成脲基甲酸酯，是生成的线型聚合物形成支化和交联结构： （2-4） 异氰酸酯与脲反应生成缩二脲，使线型聚合物形成交联和支化结构：（2-5） 异氰酸酯与聚酯多元醇的残余羟基反应产生二氧化碳： （2-6） 异氰酸酯发生自聚反应，形成环状聚合物。总之，式（2-4）、式（2-5）是形成交联和支化结构聚合物大分子而使反应物逐渐由液体胶凝固化成为固体物的主体反应；式（2-2）、式（2-6）的发泡反应产生气体，使反应物料形成蜂窝状结构的泡沫塑料。在生产中一般需要加入叔胺与有机锡组成的混合催化剂来控制聚合反应和发泡反应同时进行。需要指出的是聚硅氧烷表面活性剂虽然用量很少，但却在聚氨酯泡沫塑料的成型过程中起着重要作用6。2.3发泡成型方法2.3.1一步法发泡工艺一步法发泡工艺式目前普遍采用的聚氨酯泡沫塑料生产工艺，主要是将聚醚（或聚酯）多元醇、二异氰酸酯、水、催化剂、泡沫稳定剂及其他添加剂等原料一步加入，在高速搅拌条件下混合后发泡。由于使用有机锡等高效催化剂，反应速度较快、放热是温度较高、不需要发泡后再进行熟化，并采用有机硅泡沫稳定剂，因而即使在聚醚等物质粘度较低的情况下也能泡孔很均匀的泡沫制品。加上不需要预聚体的反应装置，因而具有工艺简单、投资设备少、易于操作管理等优点所以目前大部分生产采用一步法。一步法的工艺流程如图2-1多元醇催化剂发泡剂表面活性剂异氰酸酯混合器泡沫塑料图2-1工艺流程示意图（1）聚酯型软质泡沫一步法发泡工艺 原料。聚酯原料一般采用乙二酸一缩乙二醇聚酯或其他各种牌号的乙二酸聚酯，有的还采用少量脂肪族二元酸，异氰酸酯部分通常采用tdi80/20和tdi65/35。 发泡配方。随工艺和制品性能要求的不同而采用不同的原料和发泡配方。中密度聚酯型软质泡沫一步法发泡工艺的典型配方见表中密度聚酯型软泡沫塑料原料规格、典型配方及产品性能原料规格配比聚酯多元醇羟值（605）koh/g酸值3mgkoh/g水分0.2%100三亚乙基二胺纯度98%0.150.25聚氧乙烯山梨糖醇酐单油酸皂化酯4560510二乙基乙醇胺0.30.5蒸馏水2.83.2甲苯二异氰酸酯相对密度（25）1.21纯度98%异构比65/3536/40(按tdi指数为1.05计算)性能指标密度/(kg/m3)拉伸强度/kpa伸长率/%压缩强度（25%）/kpa回弹/%热导率/w/(mk)4016020025035046300.043 发泡工艺。在一步法发泡工艺中，一般将上述配方分为两个或两个以上组分，从储罐中有几组精密计量泵分别按比例送入高速搅拌的混合头中，在高速搅拌下迅速混合均匀，注入带状输送器上或磨具内进行发泡。搅拌时间通常为15s,模具内开始发泡时间（即发白时间）为46s,发泡时间一般为4080s,泡沫凝固后，在100温度下熟化2h即为泡沫塑料制品。另外，可在室温下放置一周，也可达到预定强度。 有关工艺因素。a.理论上tdi指数应在100%，但实际操作中由于副反应的存在，要消耗一部分tdi，要想反应完全以及保证制品质量，因此一般都控制tdi指数为103%110%之间，如超过110%，易使泡沫形成粗孔结构或导致泡沫制品开裂。b.tdi异构比对发泡工艺有影响。在同一配方中采用tdi65/35,发泡时间较短，放出热量较大；tdi65/35的放热温度如为100102 ，则100%2，4-tdi为8792 ，这主要使2，4-tdi的位阻较大造成的，同时2，4-tdi比例增高则制品较柔软。c.泡沫制品的柔软性可有聚酯的官能团数和相对分子质量调节，也可以通过控制聚合物分子中交联密度来调节。d.泡沫制品的密度可由异氰酸酯和水量来加以调节，用量越多则泡沫制品密度越小。e.在发泡过程中，不同混合头形式、搅拌剪切力、搅拌转速、停留时间、搅拌混合头的反压、混合头出口孔径等因素对泡沫制品的孔径和孔结构以及最终制品的性能都有较大影响。一般来说，搅拌速度慢或停留时间不够长会形成粗孔、中空或裂缝。随着搅拌速度减慢或停留时间的增加，制品孔径逐渐由粗变细。这些因素增加到一个极限值后，泡孔又会形成粗孔或塌泡。混合头的出料口径对泡孔孔径也有一定影响。出料口径变小有利于泡沫孔径变细，但出料口过小又有可能导致泡沫形成开裂。f. 在机械混合过程中，微量空气进入搅拌混合头中可是泡沫孔径变细，但大量进入空气易使泡沫形成大孔。同时在发泡体系中混入灰尘或污物也会使泡沫形成大孔或针孔。（2）聚醚性软质泡沫塑料一步发泡工艺 原料。主要是聚醚多元醇、tdi（通常采用tdi80/20）、有机硅泡沫稳定剂、催化剂和水等，根据需要还可以加入填料或其他添加剂。 发泡配方。聚醚型泡沫塑料的发泡配方基本和聚酯型相似，由于聚醚粘度远比聚酯小，因而必须加入高效泡沫稳定剂，通常采用聚硅聚硅氧烷-聚氧化烯烃向前共聚物。同时因聚醚末端的羟基主要为仲羟基，反应活性较小，所以一般采用活性较高的辛酸亚锡、二丁基锡二月桂酸酯和三亚乙基二胺等高效复合催化剂。聚醚型软质泡沫塑料一步法发泡配方典型配方见表2-1表2-1聚醚性泡沫塑料规格、配方及产品性能原料规格配方聚醚多元醇羟值（563）mgkoh/g酸值0.1mgkoh/g水分0.1%100三亚乙基二胺聚硅氧烷表面活性剂蒸馏水纯度98%黏度0.0151.3pa0.150.20.71.22.53.0辛酸亚锡聚醚多元醇总锡含量28%亚锡含量26%0.150.25甲苯二异氰酸酯纯度98%异构比80/2036/40(按tdi指数为1.05计算)性能指标密度/(kg/m3)拉伸强度/kpa伸长率/%压缩强度（25%）/kpa回弹/%热导率/w/(mk)压缩永久变形/%32391002003350.04210 有关工艺因素a.软质泡沫塑料所用聚醚多元醇一般官能团数在2以上，羟基约在1000左右。通常以相对分子质量为3000的三羟基聚醚应用最多。普通仲羟基三官能团聚醚相对分子质量超过4000以上，则制得的泡沫制品泡沫孔径大回弹率有所下降，压缩变定值有所增加。聚醚官能团增加后，泡沫制品的压缩模量也有所增加，但撕裂强度、拉伸强度及断裂伸长率等都有所下降；相反，聚醚官能团减少会使压缩模量降低，其他制品性能有所增加。通常使用的聚醚末端大部分为仲羟基，为了提高活性，以环氧乙烷进行封端，不但减少熟化时间，同时还能使压缩模量、拉伸强度撕裂强度以及伸长率等指标稍有增加。b.在一步法软质泡沫塑料中大部分为tdi80/20,tdi指数一般控制在103%107%，指数过高虽然使制品的压缩模量有所提高，但易使泡沫形成大孔或闭孔，过低(例如tdi指数在100%一下)则泡沫制品的强度和回弹率都会有所下降，而且泡沫会出现细小裂缝。tdi指数过高还会使熟化时间延长。尤其在生产大型低密度泡沫制品时，tdi指数过高，过量未反应的tdi会生成缩二脲和脲基甲酸酯，导致放热可延长至数小时，使泡沫体中心部分温度过高而引起焦化，甚至起火。c.在同样tdi指数情况下，增加水量会使制品密度有所下降，压缩负荷也相应降低。水量增加到一定值以后，密度虽然相应下降，但是制品压缩负荷却降低较少。这主要水量增加，分之中脲基密度也随之增加，而脲基的增加则提高了泡沫压缩负荷性能，这就抵消了制品密度降低而引起的压缩负荷降低。d.外发泡剂。添加外发泡剂不仅可以降低泡沫制品的密度、提高制品柔软性，还可以排除反应热量，在大型快速发泡中防止中心焦化。通常选用毒性低、不易燃烧、能够抵消沸点的溶剂，如二氯甲烷、一氟三氯甲烷。然而随着外发泡剂的增加，催化剂也应做适当增加，否则会应一氯甲烷等用量过多引起泡沫制品的后熟化。e.催化剂的影响。一步法工艺比预聚法需要更高的活性的催化剂，通常采用有机锡和叔胺类的复合催化体系。有机锡类过去一般采用二丁基锡二月桂酸，但该催化剂已引起热氧老化，使醚键在加热情况下加速裂解造成高聚物大分子降解，而且所制得的制品压缩负荷值也较大所以目前大都采用亚锡化合物，如辛酸亚锡等。有机锡催化剂有利于oh-nco反应，而叔胺类催化剂有利于nco-h2o反应，因而控制不同锡-胺催化剂配比即可控制链增长和发泡反应。在一定的制品密度情况下，合适地选择催化剂配比即可控制泡沫的开孔率和孔径大小及其压缩负荷值。增加辛酸亚锡用量一般可以得到孔径细小的开孔泡沫制品，但用量过多则会增加闭孔率，同时其压缩负荷值有所增加，因而必须通过实验选择最适宜用量使制品的各项性能达到最佳值。f.有机硅泡沫稳定剂。它的主要作用是降低熔融物料的表面张力，是泡沫膜壁具有弹性，防止泡沫破裂，直至分子链增长和交联反应进行至物料达到凝固为止，其次是控制泡沫孔径和均匀度。因而它是一步法聚醚性泡沫塑料的关键原料。在聚氨酯泡沫塑料生产中，有机硅泡沫稳定剂一般为聚醚用量的1%左右，在调节配方时用量有所增加。如在配方中，水的加入分数在3.5%以上时，每当水量增加0.5份，则有机硅泡沫稳定剂一般增加0.2份；每当hfc发泡剂增加5份时，有机硅泡沫稳定剂需要增加0.250.5份。填料及其他添加剂。加入填料是提高软质泡沫塑料压缩负荷性能的方法之一，如在泡沫塑料中加入碳酸钙或其他无机填料等。然而此法再生产中应用较少，其原因是填料增强的泡沫制品长期曲挠疲劳后，最终制品仍会变软，这样加入填料的钢化效应也就失效了。2.3.2 两步法发泡工艺两步法又分为预聚法和半预聚法两种。 预聚法 预聚法发泡工艺通常应用于聚醚型泡沫塑料，而聚酯型泡沫塑料因聚酯本身粘度较大，生成预聚体后粘度更大，导致在发泡是不易操作。预聚法是将异氰酸酯和多元醇反应，生成含有一定量游离异氰酸基的预聚物，然后在预聚体中加入水、催化剂、表面活性剂等其他添加剂，在在高速混合下混合进行发泡生成泡沫塑料。工艺流程如图2-2异氰酸酯多元醇混合器预聚物催化剂水其他添加剂表面活性剂泡沫塑料图2-2预聚法泡沫塑料成型工艺流程 在预聚体的制备中，预聚体的黏度是一个重要指标。对于聚酯型预聚体的制备，由于聚酯本身黏度大，通常采用一次加料，即将配方中所需聚酯和异氰酸酯一次加入进行反应即可得到预聚体所需黏度。聚醚性预聚体制备则通常采用两步法合成。第一步，先将聚醚和一部分异氰酸酯反应，使之生成末端带有异氰酸酯基团和具有较高相对分子质量的预聚体；第二步，即在该生成物中加入配方中剩余的异氰酸酯进行稀释，是最终产物异氰酸酯含量在8%10%左右。该法所制得的预聚体与一次反应相比，具有较大的分子量分布，由于较高分子量组分的存在，因而预聚体的黏度有较大的提高。在预聚体制备时既要保证反应物的末端都带有异氰酸酯基团和获得一定得黏度，同时又要防止过多的交联形成凝胶化。因此，在严格控制原料质量的同时还必须控制影响黏度和凝胶化各种因素，例如反应系统中的总酸度，nco/oh的比例、水分含量、支链度数量以及反应温度和时间等。 原料控制。在预聚体制备中要使反应重复性较好，必须严格控制各种原料规格，例如原料中的水分、羟值、ph值、金属离子含量等，以及聚醚多元醇中的酸值聚酯多元醇中的不饱和端基含量等。在聚醚多醇中一般加入少量抗氧剂，防止在储存时氧化，以避免进一步生成有害的羰基，增加过氧化值和酸值。 异氰酸酯和羟基比例的影响。聚合物的相对分子质量与羟基和异氰酸酯的比例有关,从理论角度，在nco/oh比例是1时相对分子质量最大。 不同多元醇的影响。在软质泡沫塑料所用的预聚体一般采用聚醚或聚酯二元醇或多元醇的混合物，它们的比值和生成预聚体的黏度有相当的影响，nco/oh比值越大黏度越小 反应温度和时间的影响。预聚体制备的温度和时间不但能影响与具体的黏度，而且会影响预聚体的化学结构。再无催化剂和温度低于100时，反应优先生成氨基甲酸酯链节，在有水情况下，优先生成脲基。当温度高于100时，则会生成脲基甲酸酯和缩二脲等链节，从而形成支链反应。低温反应生成的预聚体所制成的泡沫塑料，一般强度都较好，而反应温度大于100时，强度（特别是高温强度）有所下降，但发泡时的凝胶强度较大，有利于发泡操作，因而在预聚体制备时，一般都根据需要选择操作方案。反应温度和时间之间影响预聚体的黏度，预聚体的黏度对发泡工艺有较大影响，但对制品的最终性能影响并不显著。 酸碱度的影响。通常在预聚体制备过程中，酸性情况有利与链增长反应，生成氨基甲酸酯和脲基，从而获得黏度相对较低的预聚体；碱性情况则有利于产生支链的反应，生成脲基甲酸值缩二脲和三聚反应，从而获得黏度较高的预聚体，甚至产凝胶化现象。因此在制备预聚体中，控制物料中的酸碱度是反应的关键。 以聚酯型预聚体发泡工艺为例：在带有搅拌的干燥反应釜中加入聚酯，然后在室温下，在搅拌的同时加入异氰酸酯。由于异氰酸酯和聚酯的反应放热，因此必须根据反应釜容量的大小来控制异氰酸酯的加入速度，使反应温度不超过90，加料完毕继续在90温度下，保持反应1h左右,冷却后装入干燥容器中即为制品。生产过程中最好能通入干燥氮气，以排除系统中水分。（2）半预聚体法 半预聚体法是先将配方中部分多元醇与全部异氰酸酯反应生成游离异氰酸酯基含量较高的半预聚物，然后再与剩余的多元醇及水、催化剂、表面活性剂或其他添加剂，在较高速度下混合进行发泡制得泡沫塑料。该法多用于硬质和半硬质泡沫塑料的生产。半预聚法发泡工艺一般多采用半硬质泡沫塑料，而较少生产软质泡沫塑料。工艺流程如图2-3异氰酸酯多元醇水半预聚体催化剂添加剂表面活性剂混合器泡沫制品图2-3两步法半预聚法泡沫塑料生产工艺2.4常用成型设备介绍2.4.1设备概述聚氨酯浇注设备不像一般机械设备那样，按照加工产品的不同或机械结构的不同可以比较明确的进行分类。而且，规格型号和许多零部件都可以标准化，通用性和互换性都比较好，相应的国家标准和行业标准，都能制定出来。聚氨酯设备也不像一般塑料制品和橡胶制品的加工设备那样规格型号基本定型。聚氨酯浇注设备目前还不能做到标准化与通用性都比较好的水平。其原因：聚氨酯双组分液体成型工艺和设备的发展史比较短，人们有待认识和掌握成熟的东西都有一个过程。比如，许多聚氨酯产品既可使用高压浇注机，又可使用低压浇注机来做，这就引起设备制造者与用户的不同看法与认识。另外，无氟发泡设备已提到议事日程，而且肯定是日后的发展方向，而无氟发泡又有二氧化碳、环戊烷、变压真空发泡等，我国处于起步阶段，国外发达国家又在推出氢氟烃，即hfcs发泡技术。多种因素造成聚氨酯设备在短期内难以定型。聚氨酯双组份液体反应成型设备是用来完成凝胶发泡两项反应。在聚氨酯双组份液体反应成型中，异氰酸酯是较难操作的一个组分。因为异氰酸酯的反应活性特别强，与空气接触时间稍长就会形成凝固状或半凝固状的物质，在料循环系统中，常常是产生压力波动的来源。压力不稳造成双组份配比不匀，从而影响双组份成型的质量。异氰酸酯对温度也特别敏感，稍不注意，因局部温差或冬季变冷就会形成结晶。所以，聚氨酯设备或配套的条件，如果能满足异氰酸酯的条件，肯定能满足聚酯或聚醚多元醇的要求。除了异氰酸酯相对聚酯或聚醚多元醇的差别较大外，tdi、papi、mdi三类异氰酸酯在化学结构、物理性能上差别也较大。所以，大家习惯上也就按设备对异氰酸酯的使用情况，进行大致的分类。在有些情况下这几类异氰酸酯还可混合。不管是聚氨酯的何种设备，只要是双组份液体成型的设备，都是用来完成凝胶和发泡两项反应。也就是在工业生产条件下完成，并非实验条件下完成。这两项反应要完成好的条件是：配比平衡；放热吸热平衡。但是，这两个条件又受多种条件制约。所以，聚氨酯双组份液体反应成型设备要控制的参数比较多，也较为复杂。许多聚氨酯浇注设备针对某一产品或某些产品又要配置相应的流水生产线。这个流水生产线上既要用来摆放模具，又让它按一定速度转动，以实现流水作业。所以，实际上大家称呼的某一产品的聚氨酯生产线，一般是指一个聚氨酯浇注机和一条模具流水线。比如，聚氨酯鞋底生产线。2.4.2聚氨酯高压发泡机结构、工作原理及特点 聚氨酯硬泡设备中，高压发泡机为主要机型。聚氨酯高压发泡机的结构如图2-4所示目前，高压发泡机的主要产品对象：水箱夹层灌注、防盗门夹层灌注、仿木类产品等。 高压发泡机主要特点如下。 混料效果好。双组份混合时，采用高压喷射、撞击混合这种混料方式均匀度较高。 无残料、无清洗剂。因混合腔是气缸、活塞结构。当双组份料在气缸中混合完毕，活塞自动压下清除残料。当然，这对气缸、活塞的配合精度和材质要求较高。 制造成本较高。高压发泡机料循环压力，一般在510mpa；高压发泡机油路压力，一般在1015mpa；这种高压系统相对低压机必然造成成本较高。 能耗较高。相对低压机能耗高30%50%。 发泡过度。高压喷射，撞击混合均匀度好，但是，发热较大。如果散热处理不好极易造成发泡过度。 容易产生冲击气泡。高压喷射过程如果不产生一定的缓冲措施，喷射出来的料液容易产生冲击气泡，这容易产生气泡缺陷。目前，这些缓冲措施和结构都不是很理想。 对高粘度料处理有一定困难。高压喷射本身采用一个窄小通道想成高压。若料粘度过高，整个系统压力过高，这对设备制造带来一定困难。高压发泡机原料循环有两个回路：高压回路和低压回路。低压回路：料罐a1a2a3a4a5a6a7料罐；高压回路：料罐a1a2a3a4a8a9a10a5a6a7料罐。其中，高压回路a8经枪头（喷料控制阀）通道到a9，a9经料比测量阀到a10，a5经冷热交换器到a6。低压回路a4经高低压转换阀到a5。高压发泡机工作时，高低压转换阀截断低压回路。同时，喷料枪头截断高压回路，高压料经针阀喷射进入混料腔。高压发泡机不工作时，低压回路工作，卸荷。喷料、混料、清洗采用大小活塞结构，由液压站换向阀控制工作。2.4.3聚氨酯低压发泡结构、工作原理及特点聚氨酯浇注设备中，低压发泡机为主要机型。低压发泡机结构如图2-5所示低压发泡机的主要特点如下。 制造成本较低。低压发泡机中，料循环压力一般在0.30.8mpa；低压发泡机控制气路压力一般也在0.30.8mpa;这种低压系统相对高压机，制造成本较低。 结构简单维修方便。 能耗较低。 残料、清洗剂浪费和消耗较大。低压机双组份料，采用低压喷射进入混合腔。然后，高速搅拌混料。这样，混合腔、混料头会留下反应后的残留。这些残留副作用力非常强，必须尽快清除。目前，低压机采用二氯甲烷和压缩空气进行气液混合清洗残料。同时，也是对混合腔散热。气液清洗过程对环境污染较大，浪费较大。 温度控制系统较高。低压发泡机的料循环路径中，不允许温度死区、死角。否则出现局部结晶堵塞系统。低压发泡机原料循环只有一个回路，及低压回路。料罐a1a2a3a4a5a6a7料罐。其中，a5经喷料控制阀到a6。低压发泡机工作时，喷料控制阀截断回路，低压聊喷射到混合腔。喷料、清洗采用气动控制工作。2.5喷涂成型2.5.1喷涂成型概述聚氨酯泡沫的成型方法很多，在墙体保温中，有必要注重介绍一下喷涂成型。喷涂型硬质聚氨酯泡沫塑料非常适合于各种外形与材质的设备和装备进行现场成型。这类硬质硬质泡沫塑料