介紹
了目前中國採用環戊烷和二氧化碳作發泡劑替代CFC-11的聚氨酯泡沫發泡新工藝路線，以及對應於這兩種新工藝路線，武漢輕工業機械廠所開發研製出的兩大類成套設備的用途及構成要點。關鍵字：發泡設備；聚氨酯泡沫塑膠；模塑；無氟；預混
為了加快履行聯合國《關於消耗臭氧層物質的蒙特婁協定書》的義務，根據中國編制並修訂的《中國消耗臭氧層物質逐步淘汰國家方案》的精神，聚氨酯泡沫行業2010年前要實現CFC-11零消費。據此，採用對大氣臭氧層無任何損害的環戊烷和二氧化碳作為聚氨酯硬泡和軟泡的發泡劑，以替代CFC-11，且按新的工藝路線，經消化吸收並改進創新世界上先進的技術，研製了分別使用兩種新發泡劑的聚氨酯無氟高壓發泡模塑生產成套設備。
1 聚氨酯無氟(環戊烷)高壓發泡模塑生產成套設備
環戊烷的物理性質及與CFC-11的比較如表1[1]。
表1 環戊烷的物理性質及與CFC-11的比較
發泡劑 分子式 相對分子質量 密度
g/cm3 沸點
℃ 氣相熱導率
mW/(m•K) 蒸汽壓
kPa 爆炸極限
(v/v)% 臭氧消耗潛值(ODP值)
環戊烷 C5H10 70 0.74 49 12.0 34 1.4～8.0 0
CFC-11 CCl3F 137.4 1.49 24 8.5 － 無 1.0
註：密度為20℃數據，氣相熱導率為25℃數據，蒸汽壓為20℃數據。
根據環戊烷的物理性質，使用環戊烷作聚氨酯硬泡發泡劑的優點為：對大氣臭氧層無破壞作用，環保性能較好；價廉，資源豐富；室溫下為液態；因分子量低，同密度的泡沫所需發泡劑用量比CFC-11小。缺點是：易燃、易爆，設備費用高；氣相熱導率較CFC-11高，因而泡沫絕熱性相對差些。目前國內海爾、科龍、新飛、長嶺等廠家已大批使用環戊烷作冰櫃、冷櫃絕熱層硬泡的發泡劑。
使用環戊烷作發泡劑的生產工藝路線如下：[2]
根據環戊烷特性和工藝路線，我們研製了聚氨酯無氟（環戊烷）高壓發泡模塑生產成套設備。在設備研製時特別注重防爆安全措施的研發，確保全全生產。
聚氨酯無氟（環戊烷）高壓發泡模塑生產成套設備由環戊烷/多元醇預混系統、聚氨酯無氟（環戊烷）高壓發泡機和聚氨酯無氟發泡模塑生產線組成。各組成部分的構成描述如下：
1.1 環戊烷/多元醇預混系統[2]
根據環戊烷的特性，新開發的環戊烷/多元醇預混系統的環戊烷貯料罐，須防止外力的撞擊，周圍應無火花，如果地麵條件不能滿足安全要求，或外界氣溫可能低於0℃，則貯料罐宜置於地下。
環戊烷/多元醇預混系統見圖1。
圖1 環戊烷預混系統工藝流程圖
環戊烷和多元醇分別採用二套高精度、中低壓的計量泵計量，以保證混合配比的精度。採用混合能力高、低熱量產生、防靜電的靜態混合器，對環戊烷與多元醇進行混合，使環戊烷均勻地溶入多元醇，提高泡沫質量。形成的混合料貯存於由氮氣保壓的多元醇/環戊烷料罐，以供發泡機使用。
環戊烷/多元醇預混系統的安全配置為：環戊烷的計量泵防爆；所有可能接觸環戊烷及其氣體的裝置防靜電火花；電機、電器元件均選用防爆等級；且相應管道、接頭及閥雙層密封，管道上配置電控截止閥；裝有環戊烷及其混合料的容器均輸入氮氣保壓，料罐攪拌電機與攪拌軸的連線採用磁性連軸節；在環戊烷貯料罐、計量、混合及混合料罐等區域均配置隔板或護罩，並設有檢測探頭、抽風系統及防爆控制系統。該防爆控制系統的電源與設備電源分開，並分三級進行防爆控制：第一級為正常工作時控制風機低速抽風，換氣量約為每小時換氣10次；[2]第二級為當檢測感測器檢測到環戊烷濃度達到爆炸下限的20%時，[2]控制風機高速抽風；第三級為當檢測感測器檢測到環戊烷濃度達到爆炸下限的40%時，[2]則切斷設備電源，關閉環戊烷進料閥，並使風機高速抽風，使環戊烷的釋放濃度被控制在安全值以下。
1.2 聚氨酯無氟(環戊烷)高壓發泡機
環戊烷/多元醇混合料的料罐由氮氣保壓，其攪拌軸與攪拌電機的連線採用磁性連軸節，電機為防爆電機，且料罐用隔離罩分隔，並配有檢測探頭、抽風系統及防爆三級控制系統；混合料計量泵電機為防爆電機，計量泵及電機也用隔離罩分隔，並配有檢測探頭、抽風系統及防爆三級控制系統；異氰酸酯料罐和計量泵不必防爆；根據環戊烷釋放速度和釋放量，可選用可充氮氣的混合頭，使注射前可向模腔充氮，且注射時使混合料與異氰酸酯進行高速碰撞混合。所有接觸混合料的裝置須防靜電火花並接地。
聚氨酯無氟（環戊烷）高壓發泡機示意圖見圖2。
圖2 聚氨酯環戊烷高壓發泡機簡圖
1.3 聚氨酯無氟(環戊烷)發泡模塑生產線
該聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線按形式可分為直線式、水平環行式和垂直環行式。各種形式生產線均根據原料加工工藝情況、運行速度及產量決定生產線工位數。
a. 直線式聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線
直線式聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線示意圖見圖3。
圖3 直線式聚氨酯環戊烷發泡模塑生產線簡圖
該生產線用於冰櫃箱體隔熱層的發泡生產。採用固定模架結構，模具與模架設計為一體；混合頭和冰櫃分別由小車帶動，在模架、烘箱和下線升降台之間自動識別運動。生產線全自動完成冰櫃體的預熱、上模架、澆注、固化及下線等任務。澆注、固化區的安全要求為：模板、模芯由水加熱或熱風加熱；模架上所有可能接觸釋放出的環戊烷的電機、電器元件均須選用防爆等級或選用增安型加澆注後停電來防爆。停電時間依發泡時環戊烷氣體的釋放曲線（見圖4）可選為1 min；機械運動件均須防靜電火花，機械構件均接地；將模架區進行隔離，並設定檢測探頭、抽風系統及防爆三級控制系統。
b. 水平環行式聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線
該生產線用於冰櫃箱體隔熱層的發泡生產。採用模架小車裝載模具；鏈傳動使載模小車作水平環狀間歇移動；除操作工位（上、下箱體、清理、開、閉、鎖模、澆注及抽風）外，其餘工位均被罩在半環行固化烘箱內，烘箱採用熱風循環加、保溫。
澆注、固化區的安全要求為：所有電機、電器元件均採用防爆等級；機械運動件均須防靜電火花，機械構件均接地；烘箱上熱風循環風機及其電機須防爆；根據環戊烷在發泡時的釋放曲線（見圖4），在澆注工位及澆注後1 min內模具運行區間的上、下方區域，設定抽風裝置，並在烘箱內及澆注處設定檢測探頭及防爆三級控制系統。
水平環行式聚氨酯無氟(環戊烷)發泡模塑生產線示意圖見圖5。
圖4 冰櫃腔發泡時環戊烷氣體釋放圖
圖5 水平環行式聚氨酯無氟(環戊烷)發泡模塑生產線簡圖
c. 垂直環行式聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線（見圖6）。
該生產線用於冰櫃箱門隔熱層的發泡生產。採用模架小車裝載模具；鏈傳動使載模小車作垂直環狀間歇移動；除操作工位（上、下箱門、清理、開、閉、鎖模、澆注及抽風）外，其餘工位均被罩在矩形固化烘箱內，烘箱採用熱風循環加、保溫；開、合模採用氣、液壓控制機械手。澆注、固化區的安全要求同上述水平環行式無氟發泡模塑生產線。
垂直環行式聚氨酯無氟（環戊烷）發泡模塑生產線示意圖見圖6。
圖6 垂直環行式聚氨酯無氟發泡模塑生產線簡圖
2 聚氨酯無氟(二氧化碳)高壓發泡模塑生產成套設備
二氧化碳的主要物理性質見表2[1,3]。
表2 二氧化碳的主要物理性質
發泡劑 分子式 氣相熱導率(25℃)
mW/(m•K) 臨界溫度/℃ 臨界壓力/MPa ODP值
二氧化碳 CO2 16.3 31 7.36 0
溫度及壓力對二氧化碳密度的影響見圖7[3]。
1－10℃，2－20℃，3－30℃，4－40℃，5－50℃，6－60℃
圖7 CO2密度隨溫度壓力變化圖
二氧化碳作發泡劑的優點為：二氧化碳價廉，降低發泡成本；改善混合質量，減少成型重量，改善泡沫特性；二氧化碳不可燃、環保，有豐富的自然資源。該發泡劑在國內正開始使用。
使用二氧化碳作發泡劑的加工方法有“批量”和“線上”兩種，則工藝路線相應有以下兩條[3]。
2.1 “批量”加工方法的工藝路線
“批量”加工方法的工藝路線如下：
“批量”加工方式各批次二氧化碳與多元醇或異氰酸酯的溶解比可不同。
2.2 “線上”加工方法的工藝路線
“線上”加工方法的工藝路線框圖如下：
“線上”加工方法允許每次澆注時二氧化碳的量可以不同，該方法適於連續生產。
由表2及圖7可知，液態二氧化碳只存在於31℃以下、壓力7.36 MPa以上，且溫度及壓力對二氧化碳的密度影響很大，所以研製的設備充分考慮溫度與壓力對二氧化碳計量精度的影響。根據以上所述特徵，我們研發了聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡模塑生產成套設備。
由於“線上”加工方法適於連續生產，以下主要介紹與“批量”加工方法工藝路線相適應的聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡模塑生產成套設備。
聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡模塑生產成套設備由二氧化碳預混系統、聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡機、聚氨酯無氟（二氧化碳）發泡模塑生產線組成。各組成部分的構成如下：
（1） 二氧化碳預混系統[3]
某一組分經高精度、中低壓的計量泵計量進入靜態混合器，並進入預混料罐循環；同時，氣態二氧化碳經恆質量流量的計量單元被注入組分中。由於採用恆質量流量，所以二氧化碳的計量精度高，與溫度、壓力的變化無關。二氧化碳注入時間取決於預混料罐的容積、二氧化碳與組分的溶解比及二氧化碳的質量流量。靜態混合器能使二氧化碳均勻地溶解在組分中，而不是粗略地混合。這不僅節約二氧化碳的耗量，還防止泡沫產生洞穴，改善模塑質量。當二氧化碳按設定比例均勻地溶解於組分原料中後，預混料罐加料閥被控制打開，將混合完畢的二氧化碳/組分的混合料送入無氟（二氧化碳）高壓發泡機的料罐。
二氧化碳預混系統示意圖見圖8。
圖8 二氧化碳預混系統工藝流程圖
（2） 聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡機
構成與有氟高壓發泡機相似（略）。
（3） 聚氨酯無氟（二氧化碳）發泡模塑生產線
該聚氨酯無氟（二氧化碳）發泡模塑生產線按形式可分為轉台式和水平環行式。
轉台式聚氨酯無氟（二氧化碳）發泡模塑生產線(見圖9)和水平環行式聚氨酯無氟（二氧化碳）發泡模塑生產線（見圖10）均根據原料加工工藝情況、運行速度及產量決定生產線工位數。兩種形式生產線均可用於聚氨酯高回彈汽車坐墊、靠墊及頭枕、機車坐墊等的冷熟化發泡生產。轉台式需要的動力配置小，節約能源；管道固定安裝，不易損壞；運行成本低；適於大批量同品種生產。水平環行式方便換模具，適於小批量多品種生產。
圖9 轉台式聚氨酯無氟(二氧化碳)發泡模塑生產線
轉台、水平環形式發泡生產線均由電機驅動，按工藝需要間歇或連續運轉，其上配備水、電、氣、液源，安裝在轉台和輸送車上的模架可自動進行氣、液自控的開、合、鎖模的動作，根據工藝需要配備單、雙、多混合頭，並配置機械手帶動混合頭進行自動識別模具的澆注。
3 結束語
以上兩大類成套設備均採用計算機技術控制，如：網路技術、邏輯控制技術等。採用人機界面進行數據的輸入和監控，並根據用戶需要可配製遠程監控裝置。還套用了最新的變頻計量、傳動及伺服技術。對溫度、壓力、氣體濃度、速度、位置、工位識別、安全保護等均採用了多種感測技術來檢測，使設備的性能和使用效果得到提高，成為具有國際先進水平的機電一體化產品。
圖10 水平環行式聚氨酯無氟(二氧化碳)發泡模塑生產線
聚氨酯無氟（環戊烷）高壓發泡模塑生產成套設備和聚氨酯無氟（二氧化碳）高壓發泡模塑生產成套設備先後有多套或部分在海爾、新飛、科龍和澳柯瑪等廠家投入使用，且性能穩定、可靠，得到了用戶的好評，其技術水平達到世界先進水平。
隨著世界科學技術的不斷發展，將研製出更新、更好、更安全、更經濟且環保的發泡劑及生產工藝，我們也將開發出更完美的生產設備，為人類創造財富、保護生存環境而作出更大的貢獻！
