聚氨酯泡沫塑料的加工

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聚氨酯泡沫塑料的加工

# ^' q/ q5 m( H9 W% h聚氨酯是最通用塑料之一，用于制作各种硬度和密度的泡沫塑料制品。其工业发展始于30年代末期，持续增长至今已是一成熟的产品。由于聚氨酯在运输和建筑上的应用如此之广泛，国民经济对其生产有强烈的影响。聚氨酯的最大市场（及那些以它为主要泡沫塑料品种而被使用的市场）是：

( T. G' }+ v; ]! j建筑物和建筑屋顶和墙壁的保温板材与发泡喷涂；门填充材（硬质）。
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* C, ~; w- M# v* A' |家具和床上用品 床垫芯和垫褥；家具垫子（软质）。 交通运输座位垫层和装饰板（软质）；仪器板；门板；扶手；头枕（半软质）；车身外板和装饰板（微孔软质和硬质）；能量吸收（半软质和硬质）；结构部件（玻璃纤维增强硬质）；玻璃封装（弹性）。
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, {& z+ _# L( M! [5 n' B  K8 g制冷工业和家用冰箱，人能走进去的冷库、制冰机和自动售货机（硬质）。
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# h9 e7 A/ H% u! \* l* f8 p3 Y* E地毯原生和粘贴的底衬层（软质）。

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* w" m4 G; G" U" b, r4 h聚氨酯泡沫塑料的生产是一反应性过程，与此同时制造出最终产品，它不经历一个中间阶段。发泡后还可能有些加工步骤，但一般情况下不再改变泡沫塑料的性能。

( t8 n$ N" S) n$ I( _$ a反应基于两个主要化学组分——多元醇和异氰酸酯——在专门设备中精确计量和混合。其它组分作为特殊泡沫塑料所需时再加入，这些组分包括水、助发泡剂、催化剂、填充剂、着色剂和表面活性剂。
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有两种制造泡沫塑料的主要方法：喷涂法和灌注法。硬质保温用泡沫塑料一般采用喷涂法，将诸组分喷涂到表面上，于表面发生发泡反应。
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7 }0 \( R. i# m7 k1 ~8 _所得泡沫塑料的密度一般较低，约为1．5—5 lb／ft3。
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灌注法还可进一步分为下述几种类型：
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敞模浇注：混合好的泡沫反应物被连续地或定时定量间歇地注入敞开式模腔里，在模腔里发生反应。利用这种技术可以制造软质的、半软质的和硬质的泡沫塑料。浇注后模腔可以关闭，也可以不关闭。如果处于敞开状态，所得泡沫塑料就被称为面包型泡沫块；而如果浇注后模腔被关闭，这种泡沫塑料就称为模压型泡沫塑料。
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2 f9 n: V. w* P3 u模具可以是各个单独的模腔，例如被用来制造汽车座椅。或者是连续的，则被用来制造层压板材。为满足多方面的和特殊的应用场合，多年来开发了许多专门的设备和技术。
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0 Y3 l4 U4 J3 F+ }: w0 v喷沫 敞模浇注技术的特定式样，加入助发泡剂令混合物注入模具中时呈稳定沫状物。另外一个措施则是采用高用量的发泡催化剂。
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5 O" x- y; c/ u# R, ~1 W硬质保温用泡沫塑料的喷沫法，优点在于模具内发生的是低压且流动性好，在生产软质产品时，可以将泡沫混合物浇注在织物上可生产现场发泡的泡沫塑料制品（传统的泡沫混合物会渗透过织物，所得产品无法应用）。

闭模浇注 将泡沫反应物注入于闭合的模具中，当泡沫膨胀时，反应物就会充满模具。采用闭合模具原因要么是出于制件方面的考虑。要么就是由于泡沫反应太快，以致不允许泡沫混合物注入后再关闭模具。软质的、半软质的以及硬质的泡沫塑料制品，都可以采用这种技术生产出来。其密度约为2—70 lb／ft3。
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- ~3 D% B" Z' _对很多应用来说，都是将泡沫混合物简单地通过一孔加入，随后再将孔堵上。当采用反应极快的物料时，混合头或固定在发泡模具上，或停留在模具上方，直至浇注阀门可关上为止。
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闭模浇注技术当应用于快违反应型泡沫生产中时，通常被称作反应注塑（RIM）。

设备
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- A( A# E( G  u不管采用那种工艺来制取聚氨酯泡沫产品，要卓有成效地进行生产，某些因素是共同的原料供应容器、计量装置、混合头、温度控制系统和过程控制系统（本文未考虑加压的单组分或双组分体系，它们有其特定的应用）。

原料供应 包括几个容器：化工厂交货用的容器、仓库储存用容器、掺混用容器和设备所用的容器。有时，同一容器可用于其中两种不同的目的。
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# s0 s" S5 ?* M7 z9 i! `+ j, E供应厂商交货可以是机动有轨车。油罐车、挂车上的橡胶袋、集装箱和圆桶。当采用大型容器交货时，一般要转移到仓库储存罐中。大型储存容器中各组分的处理取决于化学方面的要求（诸如需要保持或调节到一定温度，或者为确保均匀性需要进行搅拌）。
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/ T+ t% m  _8 g4 g  G5 k) p) U在生产块状泡沫塑料的高产量发泡机中，原料可直接投入计量泵中，另一种方式是把大型容器集装箱或圆桶内物料送至按日计储罐或现场运行储罐之计量装置中。
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8 M, m* w  E4 v4 P7 U按日计储槽的特点在于可随具体设备生产厂家的情况而进行改变，它包括单层罐或带夹套的罐（带有或不带有内部、或外部温度控制盘管或板）、保温装置和搅拌装置、循环装置，以及罐是否加压。结构材料取决于组成，但比较典型的情况罐都是碳钢，内表面覆以酚醛树脂或环氧树脂涂层。需抗组分腐蚀性时也有用不锈钢罐的，按日计储槽装置采用自动加料系统，以确保各组成合适的储存条件。
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* L; L2 w5 y& I0 L- L7 ]计量装置 可分为低压型和高压型，还有一些是兼具二者性能特点的装置。不管怎样，计量装置必须高度精确地（一般为土 1％）将诸组分输送至混合头。
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市售计量装置有各种各样适合所需多种组分以满足泡沫塑料体系的要求。生产能力由每秒几盎司（其应用如现场浇注密封件）到每分钟 1000磅以上（大型模压制品或大块状泡沫塑料）。

低压型计量装置普遍采用高精密度齿轮泵，有种种不同传动体系，包括用直流或交流直接传动的变频电动机、齿轮电动机、链传动、齿轮系和动力皮带轮传动。

5 t: g8 X4 H$ u! h, L低压计量泵提供的压力，非常典型的不超过1．38MPa。低压设备可应用于敞模浇注和喷沫成型；而当各组分间反应缓慢，足以保证它们能流入浇注孔时，低压设备还可应用于闭模浇注。

* E8 n. e+ g5 W& h: ?2 p高压计量设备常常被称作反应撞流式混合，或高压撞流式混合机。各种化学组分处在高压下彼此互相冲撞而发生混合。虽然大多数这种混合机都是适用于双组分，也有适用于多组分者。

就这类混合机而言，撞流压力可由6.2MPa到20. 7MPa，这取决于混合要求。尽管高压混合机常被认为是用于间歇式注模的机器，但也可用在硬质发泡板条的生产中，用作连续浇注机。高压混合机采用了两种不同类型的计量体系：泵式的和圆筒式的。
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计量泵体系应用了轴向、径向或联机式的具有高精密度的活塞泵，提供需要的压力。由于精密的公差结构材料上的原因，这些泵不能应用于某些特定材料（如玻璃纤维）或具有高粘度的组合。这些泵的产率可以是固定的，也可是可调的。应用了各种各样的直接传动系统。通过手动，或者用直流电动机或变频的交流电动机，亦可伺服系统，可以改变输出量。

圆筒式计量装置应用了枪式或活塞式，园筒能处理有磨蚀性材料或高粘度物料。园筒可以独立启动或用从动液压油缸启动。虽然操作压力一般与计量泵体系相同数量级，也制造出专门装置可使撞流压力达103MPa。尽管圆筒式计量装置通常适用于固定注射量，但也有些串联装置可连续供料。
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; k7 n6 ^4 p) L. b当需要改变某些配方中采用的氯氟烃发泡剂时，这就要求改造现有装置以适应新的发泡剂。很多情况下，特别是生产软质泡沫塑料时，目前应用的装置可以照用，无须改造。市售已有一些改进装置包括：有能力处理可燃发泡剂（如戊烷）；能处理气态组分（如CO2、HCFC类和HFCs类）。必须小心保证所有结构材料适应于新的发泡剂。其中有一些对非金属密封有侵独性。

混合头 要么是低压型，要么是高压型。
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低压装置的混合头是一个由电机或液压马达驱动的带有旋转叶轮的室，叶片可以是低剪切或高剪切，视需要而定。低压混合头能提供优异的混合操作，可以设计成具有相当宽范围的产率，包括极低的物料生产率。

8 Z5 F! B6 l+ i4 T1 d间歇式批量注料机中应用的混合头内，各组分在两次注料之间通过混合头反复循环，以几种方式控制反压力。注料时滑间或孔打开，就连续浇注成型机来说，尽量少调节阀门，一旦浇注作业开始，就可以按需要连续进行下去。在连续作业中，配方的改变很容易做到。
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* G7 ?0 l4 T- R低压混合头的缺点是在注料或“浇”注后需对混合头进行清洗。就间歇批量注料成型机来说，每次注射后并不需如此，但总不得不定期清洗。组分流动停止后，混合头先以空气吹扫，之后以适当溶剂洗涤，以前是用这些溶剂如二氯甲烷，但它已引起成本和环境问题，最近在某些应用中采用了热水洗涤系统。还有迹象表明，洗涤水还可重新使用。 高压混合机头是基于物料彼此都处在高压下冲撞原理而工作的，高压消散在混合时的能量和热量中，混合头以液压开启和关闭。不用机械混合，大部分现代化的混合头都设计得无须对混合室进行清洗或冲洗。为了卓有成效地混合，混合头（室）的直径必须认真考虑。产量如因直径问题而太低，这种混合就是不良混合。但如果产量太高，在敞模浇注时出现溅洒问题。

; m( O9 a& q  {1 A各种专门混合头的设计，包括带有特制销钉（在撞流区下）的B型头和带有清洗横向活塞L型头，它们都适用于减少溅射或改进混合效率。特别是，对于高密度微孔泡沫塑料，在闭模浇注中采用了所谓的再混合器，这些装置并非再混合，它们在混合室里产生出返压力，以提高在混合段的混合效率。

温度控制 在泡沫塑料生产中为保持一定稠度，良好的温度控制尤其重要。由于在高压下再循环产生出巨大热量，因而对高压装置尤其重要，几个不同的设计原理都是适用的。高效的板形换热器因低的压力降和易于保养愈来愈被普遍采用。

  ?' d- d5 j! W, n* k7 H: k& C) t过程控制 体系所及范围从简单的继电器逻辑控制板（根据人工操作对装置进行开闭）直到高级的复杂精密的程序逻辑系统（监控、操作控制和为统计过程控制提供产量数据）。程序控制系统常以CRT显示以便于进行过程控制。
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  C3 C# M2 r* ^$ ~5 W控制部分的化费在最终全套装置化费中所占的比例比机械部件大。控制体系除控制主要的泡沫塑料成型机以外，还可包括控制运输系统、混合头托架和模具。
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5 p# A. @$ |7 B2 u+ A+ c4 c其它要求
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尽管拥有计量装置是泡沫成型操作的基础，而为了生产出合用产品还必然会遇到某些其它要求。它们是：

运输系统 有许许多多的运输系统适用于泡沫塑料的生产。对于块状泡沫塑料，有巷道式转送系统，泡沫塑料在这里浇注在纸或塑料薄膜上，纸或薄膜村在移动的传送带底部和其边侧上。这就有诸多变化，其中之一为了提高泡沫塑料的利用率，而制造一平坦的（不是圆形的）顶部表面来实现。

8 [. Y' B8 c* ^) G; Q# C5 n生产软质块状泡沫塑料用设备的一个新发展是允许采用极高水含量的配方，这种配方免去或极大减少了对助发泡剂的要求。该体系可使块状泡沫塑料迅速冷却，防止了可导致泡沫塑料降解的高发热。有一通风冷却室直接位于块状泡沫塑料生产线的成品卸料处。正常情况下，为了进行空气循环，该室要有三个部分。第一和第三部分引入室温空气流经泡沫塑料块，中心部分则是用再循环的空气与予冷的空气混合通过泡沫塑料块。为获得最佳结果必须对诸多条件加以控制。在该设备的一种改型中，把排出气体经炭吸附作用，以消除排出物中痕量污染。

$ D6 Q% W# `% ?3 A) P: N0 G还有几种输送系统适用于模压泡沫塑料，如旋转台、转盘、悬挂传送带以及拖曳链传送带。输送系统的选择取决于诸多因素，如每单位时间所需制品的数量，泡沫塑料固化的速率，浇注技术以及制件复杂程度。这时要求多模操作或者使模具移动。

伴随输送体系，需用有些混合头支架以进行泡沫塑料的浇注。其范围从手工操作直到自动化的多轴机器手。

还应指出，愈来愈多一些极成功模压操作采用模具静止不动的办法。把混合头支于一长悬臂架或环形线上，它是一个带有多个混合头而用一个计量装置操作的体系。
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双层皮带层压作业线 将块状泡沫塑料输送带与模压成型操作结合在一起。层压作业线将泡沫塑料夹在许多种面层间，这些面层如纸张、薄膜、铝箔和金属片。层压机上设有精密的能够除去诸表面刻痕的金属平板输送带，赋予层压板以精确的厚度。在敞开式浇注成型技术中，泡沫塑料注在底层上。顶层用上平板输送带来控制。
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( n) E! O* r- e/ O( h& E( C层压板也可用固定的模具来制造，采用带有灵活长杆的特殊计量装置可以把混合头在表面层间移动，可用以制造长形板材。

: `5 o2 q7 f6 O3 V模具 多种多样的泡沫塑料模具足以匹配多种多样的泡沫塑料。包括：用于成型板材的简单胶合板结构；属于制造仿木制品用的支承于木框架或金属框架中的硅橡胶面板；弹性垫和模型部件用的环氧树脂模具；制造各种部件用的层压玻璃纤维增强结构；制造仪器板用的表面铸环氧树脂铝模；座椅或床垫用的铸铝模特殊部件用的机加工铝模，用于A级表面汽车（RIM）部件的机加工钢模。

模具可以是单独使用的，也可以是以在模具载体或模压机中使用的。单独使用模具的成本一般较带模具载体的要低，但是模具载体可以应用于各种不同的模具，寿命长，能有效地降低成本。
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模具载体 可以是简单的夹具，或者是供制造大型汽车部件用的大吨位水压机。尽管聚氨酯模压是用低压，有些技术就需提高压力。当部件以高速注射人模具中时，模具经受着高液压活塞的作用，会使模具开启。
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结构反应注塑（SRIM）或增强反应注塑（RRIM）也会提高模压，这是因为降低了反应