在前面几节中我们分享了保温材料入门、分类以及保温材料特性的相关知识,这样对常见的保温材料及保温原理有了初步的了解,那么从本章节开始我们开始分享具体的保温材料的内容,由于保温材料众多,本次分享首先从有机保温材料开始。
如下图所示为常见的有机保温材料的特性及对比:常见的有机保温材料从图中可以看出,有机保温材料性能差别较大,但是大多都是模塑发泡,而且需要预先成型,导热系数较高,阻燃性能较差,成本也有所差别。
本章节首先介绍聚氨酯的应用,聚氨酯保温主要是聚氨酯硬质泡沫,其可以模塑发泡成型,也可以原位发泡成型,适应各种不同形状结构的填充成型,因此被广泛地的应用于各种保温器具中,如冰箱、冷柜、管道、冷藏集装箱、冷库以及冷藏车等。
聚氨酯硬质泡沫简介:聚氨酯硬质泡沫是由异氰酸酯、多元醇、各种助剂以及发泡剂经过化学反应+物理反应制备而成,常规的多元醇和各种助剂混合在一起形成所谓的干白料,然后与发泡剂混合形成白料,与异氰酸酯(俗称黑料)混合在一定的模具温度下反应而得出。
聚氨酯硬泡原料及特性除了黑白料之外,发泡剂也是聚氨酯硬泡的最重要的原材料,其ODP及GWP数值一直使其更新迭代的重要原因:如下图为常见的发泡剂:常见发泡剂的性能聚氨酯发泡过程:如下图所示:聚氨酯的发泡过程包括物理过程和化学反应过程:聚氨酯的发泡过程1)将黑料以及混好发泡剂的白料混合在一起,快速搅拌;2)搅拌完成后,反应开始放热将发泡剂汽化,形成乳白色的泡沫;3)乳白色的泡沫开始上涨,泡沫粘度开始增大,泡沫生长速度加快;直至泡沫不在生长,泡沫表面出现凝胶;4)泡沫停止生长,出现拉丝后,继续熟化,直至不沾手,后续继续放热熟化冷却得到聚氨酯硬质泡沫;因此我们需要特别关注聚氨酯反应液的三个参数:乳白时间(CT) :从搅拌至发白为止的时间:此参数涉及到注料时间与待填充的空间需要的灌注量的关系。
凝胶时间(GT) :从搅拌到开始抽出纤维丝为止的时间:此参数对于聚氨酯的流动填充非常重要。
不粘时间(TFT):从搅拌至用手触泡沫表面不粘的时间。
:此参数涉及到聚氨酯的后固化时间(脱模效率等)在聚氨酯发泡过程中,相关参数的变化如下所示:发泡过程中参数性能的变化发泡过程中,随着化学反应加速进行,反应产生的热量也会急剧产生,从而导致发泡体系的温度持续上升,化学反应完成后,反应温度维持一段时间后,开始缓慢下降,曾经测试过某些泡沫反应的心温度和表皮温度,差距较为明显,表皮温度一般较稳定。
反应压力表现与反应温度类似。
体系的粘度上升较快,初始时为粘度较低的反应液,随着化学反应的进行,体系粘度逐渐升高,逐渐从纯液体转化为半固态、固态,因此最后粘度较大。
流动距离与粘度具有一定的关系,初始粘度较低时,随着反应的进行,流动距离增加,伴随着粘度的增长,流动距离的速度减缓,直至变成固体为止。
聚氨酯泡沫通常聚氨酯硬质泡沫为闭孔的有机泡沫,其闭孔率达到90%以上,起泡孔直径约在um级别,泡孔类似蜂巢状结构,其孔中为发泡剂、空气以及二氧化碳的混合气体组成;聚氨酯的泡沫结构电镜图聚氨酯泡沫的导热系数有固相、气相以及热辐射组成,按照发泡剂的不同,其导热系数范围较大,关于聚氨酯的导热系数我们在下一章节中重点介绍。
聚氨酯泡沫具有良好的流动性,能够快速填充各种复杂结构及形状的制品,随着聚氨酯的化学反应的进行,其粘度增加,流动性减弱,因此在设计结构时,需要聚氨酯在失去流动性之前填充满制品。
聚氨酯泡沫除了具备良好的填充性、保温性能之外,还具有良好的粘接性,比如与制品表面的粘接,避免了二次用胶的困扰,如冰箱上直接聚氨酯硬泡发泡粘接内胆和外壳,但是在有些粘接性能要求较高的制品,如冷藏集装箱上其分层较为明显,往往需要加入胶黏剂或者环氧底漆来进一步加强粘接性。
聚氨酯硬质泡沫除了上述的功能外,在很多场合还需要其具备一定的强度,比如压缩强度、拉伸强度等、因此在实际使用中往往需要聚氨酯硬泡具备一定的压力密度,不像自由泡密度那么松垮,其压缩强度均有一定的要求,比如在冰箱中,其箱体发泡为一体成型,聚氨酯在其中起着支撑和连接一体的作用,使冰箱箱体能够具有一定的强度和支撑力,但是在有些场合,也不需要聚氨酯的强度,比如喷涂聚氨酯保温用于建筑保温时,其直接喷涂在墙体表面自由发泡,其强度较低。
因此,聚氨酯的泡沫的性能要求要根据使用场景的不同,分别设计其配方性能等。
在这一章节中,我们简要介绍聚氨酯硬泡的一些特性,针对其导热系数组成以及改进方式等、在不同领域中的领用(比如家电、建筑、管道、冷藏集装箱等等)以及聚氨酯制品整体热工性能的评估等,我们在后续的章节中持续进行介绍。