太阳热水器保温层聚氨酯发泡技术探讨

太阳热水器水箱的聚氨酯保温层的质量至关重要。如果没有性能优异的保温材料，集热管的吸热效率再高，又有多在意义？聚氨酯产品历来有“三分产品，七分发泡”的说法驰就是说，不仅需要质量好的聚氨酯发泡料，更需要一个科学的发泡工艺和严格的操作规程，这样才能生产出合格的聚氨酯泡沫，但实际上发泡的问题比经皆是，出现许多太阳热水器行业特有的质量问题，导致聚氨酯泡沫质量大打折扣。泡沫收缩是发泡工艺中普遍存在的问题，它导致水箱变形、起鼓、起楞甚至开裂。

一、 泡沫收缩成因分析

1． 成型收缩率不可能为零 泡沫体积停止膨胀标志着发泡过程的结束和熟化过程的开始。在熟化过程中，泡沫体已经完成了大部分化学反应，不再放出大量的反应热，泡沫本温度慢慢降低至环境温度。这时泡孔内压力降低，产生内外压差。压差对泡孔产生一定的影响，成型收缩率一般在1%以以下，严重时可达5%甚至更大。 从理论上讲，让泡沫体生长停止后泡孔结构立即达到稳定是解决该问题的最佳办法。而事实上，这种情况对于目前聚氨酯行业中所使用的原料来说是不可能彻底解决的，即成型收缩率不会为0，但通过调整发泡料的生产配方再辅以科学的发泡工艺完全可以将成型收缩率控制在1%以内。对发泡料供应商来说，降低盛开收缩率需要一定技术含量作为基础。 目前，有人在发泡料中加入开孔剂，形成保温效果很差的开孔泡沫。此法虽然消除了泡沫熟化过程中的压差，从而降低泡沫成型收缩率，但泡沫的保温性能大大降低，存在水箱冬天上冰的可能性。

2． 不良泡沫收缩严重不良泡沫是造成太阳热水器水箱保温层泡沫收缩的主要原因之一，收缩率为2-10%。 目前，太阳热水器用聚氨酯发泡都是一次或多次浇注自由发泡，以多次浇注为主。由于受压小凝胶之后泡沫仍在继续膨胀，形成泡沫的泡孔明显拉长，严重者可呈纤维状，基物理机械能很差，本文秒之为“不良泡沫”。多次浇注的发泡方式使得这种“不良泡沫”所占比例增大，由于外界温度影响易造成泡沫开裂。在设计泡沫成型工艺时，应该设计成一次浇注过量填充的发泡工艺对凝胶之后的体积膨胀无法控制，因为内胆无法承受过量填充而带来发泡压力。

3． 泡沫密度 太阳热水器以CFC-11作发泡沫紧低密度不得低于35kg/m3。如果发泡剂是HCFC-141b,那么泡沫密度应该增高到38kg/m3以上。有的发泡料供应商，为了提高春市场竞争力，将泡沫密度降至30kg/m3以下。这虽然表面上降低泡沫生产成本，但因为泡沫强度低，不足以承载装满水的水箱重量，泡沫被慢慢压扁，水箱的部分重量由真空管顶端支撑，真空管存在被压碎的危险。实际上这个隐患已经在部分太阳能生产厂得到证实。

4． 料比偏关 绝大多数发泡机的料比固定为1:1，不能测量也不便调整，实际料比常受到发泡料粘度、温度等因素的影响而偏离1:1。当机器自由泡密度低于手工自由泡时，表明A料（组合聚醚）过量。这种泡沫颜色白，强底低，手感软，气温低时容易收缩。当机器自由泡密度高于手工自由泡时，表明B料（异氰酸酯）过量。这种泡沫颜色深，强度高，手感硬而脆。这时应立即设法核对料比，查看过滤器是否堵塞，压力、温度指示是否正常，确保A、B料比例的准确性。

5．A、B料混合效果 由于低压浇注机压力代，只有5-7kg/m3，当压缩空气的压力波动到下限或发泡料粘度略大时，都会影响混合效果。A、B料混合不匀，轻则泡沫颜色变深，泡孔粗大，泡沫脆性大，重则泡沫颜色不匀，出现不规则的花斑或花纹。这是因为局部A料过量（导致泡沫收缩），局部B料过量（导致泡沫易开裂）造成的。

6． 环境温度聚氨酯发泡与温度的关系很大。当环境温度高时，可增加反应速度，缩短反应时间，表现为泡沫低时（如18℃以下），造成泡沫熟化期延长，增大了泡沫成型收缩率，温度越低，成型收缩率越高。另一方面会在泡沫表面形成一层没有甚至不发泡的硬皮，增加了泡沫灌注量，提高了泡沫生产成本。试验表明，同一发泡料在环境温度15℃时的发泡体积比25℃的发泡体积小25%。

7.环境温度 聚氨酯发泡与温度的关系很大。当环境温度高时，可增加反应速度，缩短反应时间。表现为泡沫发泡充分，泡沫表层和芯部密度接近。当环境温度低时（如18℃以下），造成泡沫熟化期延长，增大了泡沫成型收缩率，温度越低，成型收缩率越高。另一方面会在泡沫表面形成一层没有充分发泡甚至不发泡的硬皮，增加了泡沫灌注量，提高了泡沫生产成本。试验表明，同一发泡料在环境温度15℃时的发泡体积比25℃的发泡体积小25%。

8．外壳材质和厚度的影响 常见外壳材料有不锈钢、彩钢板和压花铝因导热系数大造成泡沫收缩率很大。外壳的厚度和强度对泡沫的收缩也有一定影响，一般厚度越厚，强度越高，在相同条件下，泡沫的收缩率越小。

二、建议的发泡工艺条件 根据国内目前的现状，从组合聚醚的工艺性能和泡沫性能两方面考虑，我们认为太阳热水器水箱保温的发泡工艺应具备以下条件：

1． 温度 环境温度以20-35℃为宜，A、B料温度控制在20±2℃较佳。

2． 模具（夹具） 发泡过程中，如何保持水箱外桶不变形、内桶不偏心，模具是一个很重要的因素。聚氨酯在发泡过程中产生的压力为0.5-1.0kg/cm2，水箱在承受载压力，模具应具备足够的强度。根据太阳热水器构造的实际情况，可向内桶充入压缩空气使内桶承载一定的压力。模具温度应控制在40±5℃，以便泡沫迅速熟化，将成型收缩率降至最小。

3． 发泡设备 彻底淘汰原始的手工发泡方式，改用浇注机发泡，有条件的厂家可用高压浇注机。聚氨酯发泡时，A料和B料在发泡机混合室内停留的时间是很短的，一般只有几分之一秒至几秒，混合效率是一孔细密、导热系数低、保温效果好。

4． 模压泡充填 解决泡沫收缩问题的最佳方案应是采用模压泡填充，将目前普遍采用的多次浇注自由发泡改为一次浇注过量填充，过填充率一般为10-15%，确保在泡沫凝胶之前填满，彻底消除凝胶之后形成的不良泡沫。所谓过量填充是指泡沫在凝胶时间之前完全填满空间。凝胶之后因空间受限，泡沫体积无法继续膨胀，但自选产生的发泡压力有利于形成圆球型结构的泡孔。

5． 开模时间 温度是影响热水器开模的重要因素。温度包括环境温度和模具温度。温度高，开模时间短。太阳热水器发泡后一般12分钟左右开模，在实际生产过程可根据温度、过填充量、保温层厚度适当延长或缩短开模时间。

6． 熟化 仿效冰箱冰柜的做法，发泡料浇注后，将桶体移到40-60℃的加热烘道中，在较高的环境温度下快速完成熟化过程，促使泡沫结构稳定减少收缩发生的机会。如果没有条件，开模后的桶体应在25℃在以上的环境中进行熟化8小时以上，然后移至温度较低的地方（如成品库）。为了保证产品质量和泡沫性能，建议生产厂家建立熟化区。