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什么是箱式发泡工艺?发泡工艺与设备大全

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发表时间:2018-06-21 09:28来源:聚氨酯制品手册

  在软泡工艺中,一般先将聚醚多元醇、水、催化剂、泡沫稳定剂、外发泡剂等进行预混。从一个通道进入混合腔,TDI从另一通道进入混合腔。这些组分料的配比控制是由计量泵系统与流量测试系统控制。混合机头是一个高速搅拌器。双组分原液一经混合,反应立即开始。反应第一阶段为乳白时间,5~15s,这段时间为可操作时间,双组分原液此时还具有一定流动性。第二阶段为发泡时间,40~80s。此阶段,双组分原液由液态逐步变为固态,形成泡沫体,具有一定的支撑强度。完全熟化在室温下为3~6d,加温到100℃可缩短到2h。完全熟化后才能达到可检测的性能指标。


  目前,软泡工艺一般都采用一步法。工艺框图如图1。国内连续发泡生产线结构示意图见图2。


一步法软泡工艺.png

图1 一步法软泡工艺


连续发泡生产线结构.png

图2 连续发泡生产线结构


  该生产线一般都有20多米长,2米多宽。它由发泡机部分和流水线部分组合而成。


  聚醚(PPG)、水、胺、锡、硅油、甲苯异氰酸酯(TDI)各由一个工作料罐、一个泵、一个调速电机、一个喷料和循环控制阀以及管路构成了料循环系统。喷料及循环控制阀控制发泡工作开始与停止。调速电机、泵构成计量泵系统,该计量泵系统用来控制与调节各个组分原料的配比。图3中仅给出了连续发泡中的6个主要组分,实际生产中,还有色料、外发泡剂等参与发泡的附加组分。而在6个主要组分中,聚醚用量比例很大,占60%左右。所以,案整是一个容积很大的工作料罐。其次为TDI。表1为6个主要组分的料罐容积与相应的电机功率、齿轮泵的排量配置。


箱式发泡原理示意图.png

图3 箱式发泡原理示意图


排量配置.png

表1 料罐容积与相应的电机功率、齿轮泵的排量配置


  实际生产中,表2中容积配置也只能使连续发泡中各组分的混合排量达到50kg/min左右。所以,有的软泡生产厂家,除了上表的基本配置外,还有容积更大的贮罐来贮备PPG和TDI。


软泡实用配方.png

表2 软泡实用配方


  在软泡中如果要着色,还得在发泡设备中增加一套泵循环系统及控制阀。同样,增加外发泡剂如二氯甲烷时,也需准备这样一套装置。


  在软泡中,还有添加CaCO3以提高泡沫的一些硬度及降低成本等方面的考虑。CaCO3的添加量最高可达聚醚用量的25%,总用料量的12%左右。


  表2中给出一个实际生产中的软泡配方,此配方用于连续发泡生产线。


  TDI系列的箱式发泡,目前基本类似手工发泡。它基本上采用较为简单的发泡机械。各组分由人工称量后倒入一个混合桶,这个混合桶转速较低。混合后,由人工快速倒入模具桶发泡。这种发泡制品的泡孔较粗大,表面结皮较粗糙。总的来讲,发泡效果较差。但是对于单件、小批量的软泡制品生产仍有一定好处。


  箱式发泡是将各组分物料依次称量后,最后加入TDI,放置在体积较大、无盖的混合筒中高速搅拌混合后倒入大型箱式模具中。主要缺点是劳动强度大,有毒气体挥发浓度大,严重超过环保标准,对操作人员的健康损害严重。同时,筒式倾倒造成物料飞溅,夹裹大量空气,容易形成大气泡缺陷,内部泡沫不均匀,甚至出现泡沫开裂现象。另外混合筒内残留废料量大,原料消费大,生产成本高。也可采用计量泵计量,将物料输送到底部能自动开启的混合料筒中,物料经高速搅拌混合后,利用压缩空气将浆料快速压出流至模具箱中进行发泡。但这种方法,物料的流速过快,容易产生涡流,使制品泡孔结构不均匀,容易出现月形裂缝等质量问题。箱式发泡原理及装置如图3和图4所示。


箱式发泡装置结构示意图.png

图4 箱式发泡装置结构示意图

1-原料贮罐;2-计量泵组;3-控制柜;4-带有升降装置的混合桶;5-发泡箱;6-成品;7-上浮板


  工业性生产装置主要由原料贮存罐、计量泵组、可上下升降的混合搅拌筒和多只木制箱式模具组成。发泡原料在贮存罐中调节至加工条件所需的温度范围,通常温度控制在(23士3)℃,然后用计量泵依次往混合简中输入聚醚多元醇、催化剂、表面活性剂、发泡剂等,预先搅拌30~60min,然后再按配方输人TDI或经过一个底部装有开关的中间量桶加入TDI。加入TDI后,立即进行搅拌混合。根据原料和配方不同,搅拌速度一般要控制在900~1000r/min,搅拌时间约为3~8s,然后立即快速提升混合料筒。混合料筒下部无底,落下时直接置于模具箱的底板上,它依靠桶底部边缘的密封圈,防止物料泄漏。当它提升时,混合好的发泡浆液可直接摊铺分散在箱式模具的底板上,自然发泡上升。为避免泡沫体形成拱形上表面,应配置与箱具相吻合并能进行限位的上模板。模具箱主要由硬木板制成,底板固定在可移动的模具运输车上,四面侧板均装置可方便开启、合拢的锁模装置,板内壁应涂覆聚硅氧烷类脱模剂或内衬PE薄膜材料(容易影响散热),以防粘模。泡沫体经过后熟化或经过8~10min强制熟化后,打开模具箱的四边立板,即可取出块状软泡,经过24h熟化完成后,然后再进行切割等后处理加工。


  箱式发泡工艺和设备具有生产容易,设备结构紧凑、简单,投资少,占地面积小,维护方便等特点,很适合小型生产企业生产,特别适宜低密度的块状软泡的间歇式生产。其缺点也是很明显的,生产效率较低,生产现场的生产环境较差,TDI挥发气味大,必须配置极其良好的排风装置。发泡箱体尺寸长×宽×高分别为2.0m×1.6m×1.0m和2.0m×2.5m×1.0m。改变模具箱体的尺寸和形状,也可以生产方形、圆形等不同形状的块状产品。


  国内有些厂家为提高搅拌效率,在搅拌混合桶内四壁增设几个等距离、垂直的扰流板,配以高速螺旋桨式搅拌器,进行高速混合,在一定程度上能起到减少混合液层流作用,提高混合效率的功效,但物料中夹带空气量也将会增加。


  使用箱式发泡生产中各组分原料计量必须准确,计量精度误差必须小于1.7%,以防造成产品质量事故。各种配合剂应现用现配,在使用组合料时,应在短期内用完,以免出现活性下降、失效。严格控制原料温度和混合时间,箱内的底衬和四壁衬料必须铺衬平整,不得出现折痕、破损。泡沫起发上升时,上压盖放置要轻盈、平稳。低密度泡沫体时,除严格配方和称量外,不得使用自来水代替蒸馏水。严防泡沫体自燃引发的火灾事故。对新生产的泡沫体必须单块存放,相互间隔必须大于30cm,新、旧泡沫体要分室存放。安装烟雾报警器和自动喷淋系统,新泡贮存区必须实行24h专人监护制度,严防火灾发生。


  国外箱式发泡的典型配方及相应泡沫体性能列于表3,供参考。


国外箱式发泡的几个典型配方及相应泡沫体性能.png


  聚氨酯软质泡沫体制品的需要和很大的情况下,可采用连续块状泡沫生产方式投入大规模化生产。这种生产方式产量高,每天最高产量可达500kg。在全世界聚氨酯软质泡沫制品中,该生产方式产量约占50%。生产的泡沫块宽度最大可达2.4m,高度最高可达1.2m。连续式生产,其长度可根据需要任意切断;产品质量稳定,同时泡沫块经过裁切、片切、磨削、仿型、滚切等各种加工方式,制备出各种异形断面形状以及厚度仅有0.5mm的薄片等产品,最大限度地满足不同应用场合对软泡产品的需要。连续块泡生产的缺点在于它不适应小批量、多品种制品配方的变化,只能用于大批量产品的生产。同时,该种生产方式所需的设备投资较大,占地面积广,目前,在国内大型聚氨酯软泡生产还达不到采用这种设备。


  德国首先设计、制造出来连续大型块状聚氨酯软质泡沫塑料的生产设备,其每小时的产量高达30t。基本生产装备如图5所示。


连续PU软泡基本生产装备示意图.png

图5 连续PU软泡基本生产装备示意图


  连续化块状软泡生产装置由原料供应工段、混合与浇注工段、发泡工段、切割工段、后熟化工段和产品后加工等几部分组成,如图6所示。


连续PU软泡(块状)生产线.png

图6 连续PU软泡(块状)生产线


  聚氨酯软质块状泡沫体的生产,由于原料的需要量大,因此均设有单独的原料贮存和温度调控系统。异氰酸酯和多元醇在贮存过程中应避免水侵蚀污染;由于温度对发泡反应影响很大,故原料应保持恒温,通常温度应控制在18~25℃之间。TDI的冰点为17℃,低于17℃时,会有2,4-TD)白色半透明结晶析出,必须在加热(低于40℃)使其熔融,否则会在发泡反应中出现反应性降低,甚至会造成泡沫体开裂。温度控制系统通常分为大宗原料贮存区和每日使用原料准备区(工作原料罐区)。原料在被输入工作贮罐时,温度调控要严格,一般温度应在20~25℃范围内,波动范围应小于士1℃。


  计量比例十分悬殊的众多计量泵同步进行极其精确计量是很困难的,配比波动很大。目前原料基本使用两个组分:异氰酸酯作为一个组分,聚醚多元醇、催化剂、发泡剂、泡沫稳定剂等混合作成组合料成为另一个组分。这样,不仅装备得以简化,同时也极大地提高了计量精度。


  经过精确计量的原料组分被送入混合头中进行混合,并连续将混合均匀的物料吐出。连续块状泡沫体生产的混合装置主要是低压式混合头,该混合头普遍采用低剪切力的齿钉杆式搅拌器。搅拌器由电动机驱动,转动速度通常为3000~6000r/min,并可进行分级调节混合搅拌速度。物料在混合头中的停留时间大约为1s。对于高黏度的原料体系,也可以使用高剪切力的螺旋状搅拌器。目前,在连续块状软泡生产的现代化工厂中,也已开始使用高压计量混合发泡设备,可以根据需要调整混合头的搅拌形式、流速、喷嘴大小等,从机械角度保证生产泡沫体的质量。通常,降低背压、加大出口直径有利于细密孔型结构的产生;在低压机中,在混合头进料端设置微量空气输入装置,对形成气核、产生细密泡沫结构也具有一定效果。


  混合好的物料在一定压力下被连续吐出混合头,此时应防止物料飞溅,以避免物料夹带大量空气,造成泡沫体内部产生大的洞穴。为此,在混合头吐出口前部安装特殊设计的挡板、喇叭状或鸭嘴状导流管以及金属网等,使物料在直径逐渐扩大,流道中的冲击能量降低,同时物料吐出口与底板之间的距离也要尽量降低至1cm左右,以防止物料飞溅,影响产品质量。为使已混合好的物料在底板上流动均匀,混合头应配合底板输送带移动速度作左右移动,也可以将物料分流至两个导管,使物料进入与底板运动方向横向排列的分配槽中流出,使物料能极其均匀地分布在底板运输带上。


  吐出后的物料,在乳白时间以前流动性较好,在吐出段的输送带前端,输送带应有3°~9°的倾斜角,并配置液压或手动的调节机械,根据发泡工艺要求,对倾斜角度做适当调整,以确保物料能均匀地单方向往下流动、起发。如倾斜角度太小或输送带移动速度太慢,那么泡沫体厚度将加大;若倾斜角度太大,吐出物料流动过快将会流至已开始起发的泡沫层下部,形成“潜流”,这样会造成泡沫体出现裂缝等质量问题。根据不同的块状泡沫原料、配方和设备参数,通常大型机组的输送带的线速度控制在3~10m/min,而对中型机组,则控制在1.5~3m/min。最为重要的是要正确调整好发泡机的吐出流量、输送带的角度、移动速度之间的工作参数,使物料吐出分配线与物料发泡开始所呈现的乳白线的距离控制在30~60cm。


  连续块状软泡生产线都配有泡沫体衬料同步输送和回收系统。普通使用的是三纸衬料系统,左右内侧衬纸沿排风道内壁同步移动,下衬纸则随输送带同时向前运动。注意三条衬纸运动必须同步、平稳。一般软泡用衬纸是使用聚硅氧烷、蜡类等脱模剂处理,或涂覆聚乙烯等不黏性化学品的高强度牛皮纸。最初生产装备设计是将衬纸由纸辊上导开,经几组导向辊作用,使衬纸折成“U”字形,随输送带进入通风道。现在该方式已基本改为底纸、二侧衬纸的三部喂纸和回收系统,从而确保了衬纸平整、无折痕。此外,为减少泡沫体上表面弧形突缘造成大量废边角料损失,在新开发的生产装备中,使用了顶衬纸,配合上压板运动,有效地消除泡沫体上部半圆弧形的出现,提高了泡沫体的出材率,降低了生产成本。


  泡沫体在输送带上的衬纸上起发,然后进入具有良好排风装置的风道。根据不同的生产配方,或利用反应本身生成的热量方式,或使用辅助红外线等其他加热方式,给予或保持发泡体一定的温度,使之尽快完成反应、凝胶、固化并达到要求的性能。与此同时,泡沫体在熟化的过程中将会逸出大量二氧化碳、氟里昂、异氰酸酯以及其他有害气体,都应通过排风装置将它们排出,使之有序地进入气体净化装置进行处理,达到环保标准后排入大气中。在此工段,当泡沫体接近完全固化时,使用侧辊和底辊回收机系统,剥离衬纸,整理后可回收再用。


  泡沫体的输送带系统要求表面十分平滑,运行应极其平稳而无任何震动,两侧设有侧挡板,宽度可根据需要,在一定范围内进行调节,宽度可达2.2m,而小型设备的宽度也可达1.6m。当物料吐出量和输送带运行速度恒定时,调节两侧挡板的宽度,也可调节泡沫体的高度。一般大型连续块泡发泡体的高度均超过1m。


  泡沫体经过24h熟化后,虽然全部反应并未完全,但基本性能已达到可以切边、切顶、横向切断加工的程度。目前,由于高效催化剂和改进的原料体系,熟化时间已变得越来越短。切断后的泡沫块在后熟化区内处于严密的监控下,停放至少12h,使泡沫体达到最终的预期性能。在泡沫体熟化阶段,由于激烈的放热反应和泡沫体导热性差,散热极慢,对大断面块状泡沫体,其泡沫内部的温度在140~170℃下会持续几个小时,很容易引起泡沫体烧芯”,甚至引起自燃,发生火灾。如若配方的异氰酸酯指数较高、水发泡剂用量较大、空气湿度较大时,泡沫体内部温度会更高,持续时间更长,其火灾的危险会更大。熟化阶段必须装备防火的监控、报警设施。


  完全熟化的泡沫体送入后加工区,进行各种尺寸的裁、切、片、磨以及仿型等加工。例如,为适用纺织服装业的需要,加工成又薄又长的片材;为床具、沙发等用途,加工成不同外形尺寸规格的制品块等。其加工方式请参阅泡沫加工机械章节。图7为软泡产品生产的典型流程示意图。


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