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深度讲解液体二氧化碳发泡技术_二氧化碳替代氯氟烃发泡剂优点

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发表时间:2018-05-19 16:27来源:聚氨酯制品手册

  液体二氧化碳发泡技术是使用液体二氧化碳作为替代氯氟烃(CFCs)发泡剂,其液体优点有以下几点。


  1.二氧化碳的臭氧消耗潜值(ODP)为零。二氧化碳在常温下为气体,沸点为-78.5℃,临界温度31℃,它在低于31℃的任何压力下可被液化甚至固化,而在高于31℃的任何压力下呈气体状态,它的温度、压力关系如下图,二氧化碳的蒸气压、汽化热数据列于下表。


二氧化碳相态图.png

二氧化碳相态图


二氧化碳蒸气压数据.png



  2.原料成本和生产成本低。二氧化碳那的分子量为44,仅是CFC-11的1/3.与全水发泡技术反应生成的二氧化碳相比,使用二氧化碳可以节约大量昂贵的异氰酸酯消耗(1g水将消耗6gMDI)。而液态二氧化碳的生产技术成熟、易得、价格低廉。


  3.泡沫体性能与使用CFC-11生产的产品相当,属物理发泡剂,不参与系统的化学反应,对产品分子结构不会产生任何不利影响。与全水发泡相比,使用液态二氧化碳发泡不会产生过多的脲基,在同等密度下,泡沫体更加柔软,手感好。


  4.设备投资费用适中。


  5.使用该工艺可以在无平顶系统设备上生产出顶部较为平坦的泡沫体。但要将液态二氧化碳作为聚氨酯材料的发泡剂并非易事。必须先解决它的计算问题,同时还必须使它在聚醚多元醇中混合、输送,更为重要的是在混合头吐出时,要克服因二氧化碳液气转换是快速膨胀而产生的破泡乳化难以控制等技术问题。为解决这些技术问题,意大利进行了大量工作,率先推出使用液态二氧化碳作为聚氨酯发泡的替代技术科研成果及相应的生产装备——卡迪奥装备,该装备的示意图如下。


卡迪奥装备示意图.png


  卡迪奥技术成功地解决了液态二氧化碳的计量,使用在线静态混合装置,使其乳化,均匀地分散在聚醚多元醇组分中,形成良好的气核,始终保持液体状态,并通过专门设计的混合头和分配装置设计,使乳化的材料得到一个渐进的压力降,使已被膨胀了30%的乳化混合物料均匀地分布在平顶发泡设备的传送带上,克服了泡沫体上出现针孔和烟道状的并泡现象。


  卡迪奥系统的生产运行速度1m/min,流量40~60kg/min。意大利、美日等及欧洲的一些泡沫生产厂相继采用了这项技术并成功地生产出聚氨酯软质泡沫,使液态二氧化碳替代CFCs工作取得了较大进展。利用该替代技术生产3种密度泡沫体与CFC-11和MC发泡工艺。泡沫体配方及性能对比见下表。


三种发泡体系性能对比.png

三种发泡体学性能对比续表.png

三种发泡体系性能对比


  在下图中可以看出,使用液态二氧化碳发泡工艺生产的泡沫体性能很好。在三种发泡剂对比中,“卡迪奥”泡沫具有更高的回弹性和透气性。


发泡高回弹泡沫推荐配方.png


  下图为欧洲使用的典型配方及泡沫体性能。Dow化学公司使用扫描电镜检测了该种泡沫的微孔结构,发现它比同等密度和硬度的MC发泡沫体相比,具有更细的泡孔尺寸(平均500μm)和高得多的开孔率,泡沫更趋向于各向同性,泡沫体物理性质更加趋于一致。


欧洲使用的典型配方及泡沫体性能.png


  从配方中可以看出,使用液体二氧化碳配方,锡用量均比MEC配方要少。由于MEC和CFC-11对聚氨酯聚合物有强烈的溶解性,因此,必须增加锡催化剂用量来克服泡沫体上产生的裂口现象,在使用液体二氧化碳发泡剂配方中,锡催化剂用量减少,仍能制备出孔开率高、泡孔结构均匀、压缩变形小、不易产生裂口的泡沫制品。


  在CarDio系统开发的基础上,康隆公司又将液体二氧化碳发泡技术延伸到聚氨酯软质泡沫体的非连续化模塑制品的加工中,开发出的“康奥赛”系统,解决了使用液体二氧化碳发泡剂的贮存、计量、与多元醇预混、高压混合以及将乳化的物料在浇注指令下达时立即准确计量吐出至模制模具中等技术问题。该公司专门设计了专利保护的非连续发泡用的计量泵组,能在瞬间提供不变量的液体二氧化碳,从混合头下达指令到加压、无波动的液体二氧化碳进入混合室前的多元醇回路之间的时间差非常小,在输出范围3~15g/s时,其泵组精度为±2%,反应时间为0.5s,从而使计量系统能适应多硬度配比,多循环,输出比列变化频繁的转盘模塑生产线,通过液-液相混拌喷射器、可编程序开关和机计算控制系统设计,解决了系统频繁开模浇注、闭模停止的操作同步问题。同时设计高混合效率的新型混合头Triox,从而使混合物充分混合、乳化,并将25%~30%预膨胀成乳化状物料注入模腔,而又不会出现并泡和打泡孔结构,生产出泡孔细密均匀的高质量模塑产品。


  此外,康隆公司还开发了专门用于液态二氧化碳与多元醇预混的预混装置——EasyFroth系统,将组合多元醇通过柱塞泵高压计量再与定量的液态二氧化碳混合,经过预混合后将其送入发泡机料罐中,该系统配合L型注射头或使用专利的注射头进行注射。


  继康隆公司开发液态二氧化碳发泡技术和加工设备以后,英国的公司也开发了CO2TM系统,据称在变压发泡技术的基础上吸收了二氧化碳发泡技术,能密闭更多二氧化碳的泡沫体,内部泡孔结构均匀,表面无气泡,产品最低密度可达14kg/m3。同时,该公司宣称该工艺技术可在传统高压发泡机上安装,无需更换计量、混合装置,即可实现液态二氧化碳发泡体系的更换工作。


  德国的公司也开发了使用液态二氧化碳发泡的装备系统。此外,美国的公司开发了二氧化碳计量装备。据称,可将气体二氧化碳定量地加到软泡、硬泡或聚异氰脲酸酯泡沫用的多元醇中,采用特有的L型混头,能适应更多的配方体系,如水、HCFC类发泡剂,也可直接使用掺入二氧化碳的多元醇,以改变聚氨酯泡沫体的模塑特性。


  使用液态二氧化碳取代CFCs化合物作物理发泡剂的工作进展虽然很快,并已在生产中取得了一些成绩,但该取代方案仍有一些缺点,有待进一步改进。


  1.产品表面针孔较多,尤其是在低密度制品上,更为明显。


  2.在生产块状软泡制品时,由于物料从分配器中喷出后,二氧化碳比CFC-11有更大的急剧膨胀性,制品表皮平整性较差。


  3.二氧化碳至空气的扩散速度较快,若发泡和凝胶反应平衡稍有偏差,就会造成泡沫体收缩等质量问题。因此使用该发泡体系,其配方和操作工艺更为严格。


  4.由于液态二氧化碳的特性,使用它必须解决它的贮存、计量及与其他组分混合等技术问题,因此必须进行较大的设备投资。


  5.更为重要的是二氧化碳的热导率高【15.3mW/(m·K)】,与CFC-11(一氟三氯甲烷)【7.4mW/(m·K)】相比,高出近一倍,因此,使用该替代技术的产品,仅能用于非绝热要求的应用领域。


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