聚氨酯真空隔热板

聚氨酯真空隔热板芯材的研制

王娟石芳录朱贤白品贤

（兰州华宇创新科技有限公司甘肃兰州730000）

摘要：制备了用于聚氨酯真空隔热板的开孔硬泡芯材，该泡沫芯材的开孔率达95％。讨论了聚醚多元醇、开孔剂及泡沫稳定剂等组分对芯材性能的影响。并介绍了封装成真空隔热板的工艺。用该芯材制成的聚氨酯真空隔热板具有优良的隔热性能，其导热系数低于10 mW/(m·K)。

关键词：真空隔热板；开孔泡沫；聚氨酯；硬质泡沫；导热系数

硬质聚氨酯(PU)泡沫塑料由于具有优良的隔热性能，一直被广泛应用于家电、石化和建筑等行业。为了更好地节约能源，进一步提高其隔热性能是大家关注和研究的焦点。多年来在国内外业内人士的共同努力下，PU硬泡的隔热性能逐步提高，但是，硬质PU泡沫体闭孔中气体的存在，决定了PU硬泡的表观导热系数不可能低于该气体自身的导热系数。这样，从根本上阻碍了PU硬泡隔热性能的彻底优化。

聚氨酯真空隔热板(PU-VIP)是将开孔聚氨酯硬泡芯材真空封装在镀铝聚酯/聚乙烯薄膜内而成。由于抽真空脱除了开孔结构泡沫中的气体，使板材具有优良的隔热性能。将PU-VIP与浇注PU硬泡结合形成复合隔热结构，可用于冰箱隔热。当PU-VIP替代35%的普通浇注PU硬泡时，可使冰箱能耗降低25%[1]。可见，PU-VIP是一种高效、节能、环保型隔热材料，由于其不含任何CFC物质，对环境无污染，因此具有极好的发展和应用前景。

1 PU-VIP的隔热机理

一般用于隔热的PU硬泡是由大量的蜂窝状的微孔构成，这些微孔各自独立，互不相通，构成所谓“闭孔结构”，泡孔内充满了导热系数极低的CFC气体。PU硬泡的表观导热系数由下式表示：λ＝λg＋λs＋λr

式中：λ＝表观导热系数；λg＝泡孔内气体的热传导；λs＝泡沫骨架的热传导；λr＝辐射热传导。

以CFC-11为发泡剂，常温下三种热传导在PU硬泡表观导热系数中所占大致比例见表1[2]。

表1 三种热传导占PU硬泡表观导热系数的比例

传热方式比例/%

λg50～65

λr，λs35～50

λ100

由表1可见，常温下气体的热传导λg占PU硬泡表观导热系数的45%左右，接近一半。

显然，PU-VIP开孔硬泡芯材，采用抽真空的工艺，可使λg→0，其表观导热系数λ由下式表示：

λ＝λs＋λr

这样，由于PU-VIP芯材的气体导热系数λg→0，理论上其导热系数仅约为普通硬泡的一半左右，而实际应用中，通过优化泡孔结构、提高真空度等方法，可以进一步提高板材的隔热性能。实验证明，当PU-VIP内压降至0.5 Pa时，其导热系数可低达7 mW/(m·K)[1]。

2 实验

2.1 芯材配方

本实验的核心就是研制出开孔型微孔泡沫芯材，采用一步法工艺发泡成型，表2为本实验配方。

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表2 开孔型微孔泡沫芯材配方

原料聚醚多元醇1) 泡沫稳定剂2) 开孔剂2) 复合催化剂3) 发泡剂4)

质量份100 0.5～1.0 0.5～1.0 3～6 7～10

注: 1) 选用两种以上国产聚醚多元醇组合，组合聚醚的羟值450 mgKOH/g；2)均选用德国高施米特公司聚氨酯助剂；3)选用德国高施米特公司催化剂与国产普通催化剂复合。4) 发泡剂为HCFC-141b，另含水0.5~2.0份。

2.2 芯材制作工艺

采用手工发泡或高压发泡机浇注将料液在室温下混合，在1500 r/min下搅拌8～10 s，注入40℃的不锈钢模具中，使泡沫自由上升（采用浮动式顶盖，与软泡模塑工艺相同），5 min后脱模，并在70℃下熟化24 h。

2.3 测试方法

用扫描电镜SEM测定孔径微观形态结构；

开孔率按GB10799－89方法测试；

密度按GB/T6343－95方法测试；

导热系数按GB3399－82方法测试；

压缩强度按GB8813－88方法测试。

3 结果与讨论

3.1 芯材的三个技术要求

PU-VIP芯材的制备是真空板研制的关键技术之一，其配方实验及制作工艺与普通PU硬泡均有根本不同。PU-VIP芯材制备关键在于开孔率高、泡孔结构好、抗压性能强三点。

3.1.1 高开孔率

与普通闭孔结构的PU硬泡(一般闭孔率大于95%)不同，作为PU-VIP真空板芯材，要求泡沫开孔率愈高愈好，以便于抽空，从而保持真空板内的真空度。因为真空板芯材中少量闭孔泡沫内的气体会缓慢逸出。本实验对平均孔径为200µm的PU-VIP芯材在66.5Pa真空条件下的表观导热系数与泡沫开孔率的关系进行了分析，结果如图1所示。

图1 开孔泡沫表观导热系数与泡沫开孔率的关系

由图1可见，在一定真空条件下PU-VIP表观导热系数随泡沫开孔率的提高明显下降。实验结果表明，要使PU-VIP真正具有优良的隔热性能，芯材的开孔率应大于95％以上。

3.1.2 泡孔结构

真空板封装临界真空度依赖于真空板芯材泡孔结构[3]。泡孔尺寸小，结构均匀，其封装临界真空度可相应降低。普通PU硬泡的平均孔径在300～1000 µm之间，而PU-VIP芯材孔径若为300～1000 µm，要使制成的真空板达到隔热要求，真空度需保持在0.133 Pa水平。这样的真空度在实际生产中很难达到，因此要求用于真空隔热板的开孔泡沫具有更小的孔径。表3为本实验在真空度为13.3 Pa，开孔率95%时的不同孔径芯材的导热系数λ。

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表3 同样真空度下不同孔径芯材导热系数的对比

孔径/µm λ/mW·（m·K）－1

140 8.2

190 9.5

250 13

290 16

330 22

从表3中可以看出，真空度为13.3 Pa时，平均孔径为140～250 µm的开孔聚氨酯硬泡，可满足隔热要求。

3.1.3 抗压性能

PU-VIP 抽空后，要使芯材与外界大气压力保持平衡而泡沫又不变形，则需要开孔泡沫具有一定的抗压性能。本实验制成的开孔硬泡的密度为50～60 kg/m3，压缩强度为0.5～0.6 MPa，可满足要求。由表4可知，同样真空水平(1.33 Pa)下，与其它真空板芯材（如硅粉、珍珠岩、玻璃纤维、硅酸钙粉末等）相比，要达到同样的压缩强度要求，PU-VIP的重量只需它们的1/3，而且相比之下，PU-VIP具有更低的导热系数[4]。

表4 PU-VIP及其它芯材的导热系数对比

芯材种类密度/kg·m－3λ/W·（m·K）－1

硅粉200～300 0.005～0.008

珍珠岩200～300 0.006～0.010

硅酸钙粉末200～300 0.012～0.015

开孔PU硬泡50～60 0.004～0.018

3.2 配方实验的主要影响因素

3.2.1 聚醚多元醇的选择

聚醚多元醇的种类对芯材抗压强度影响很大。实验发现采用高活性聚醚多元醇（羟值小于50mgKOH/g），虽很容易得到高开孔率、细孔的理想泡沫，但泡沫强度差，难以达到要求，真空封装后泡沫易变形；反之，选用硬质PU硬泡常用的高羟值低分子量的聚醚多元醇，虽解决了强度问题，但泡沫不易开孔，孔径也不理想。本实验选用两种国产高羟值聚醚多元醇为主，羟值分别为400和500 mgKOH/g，另加入一定量羟值小于50 mgKOH/g低羟值的高活性聚醚多元醇。再通过调整开孔剂、稳定剂等助剂的用量，保证了芯材的强度达到要求，得到满意的产品。

3.2.2 开孔剂和泡沫稳定剂的相对含量

开孔剂用量高有助于泡沫开孔，却使孔径变大；反之，稳定剂虽有利于孔径优化，但却抑制泡沫开孔，因此，如何协调二者的关系是研究的又一难点。表5列出了开孔剂质量分数为1时不同质量分数的稳定剂对PU-VIP泡沫开孔率和孔径的影响。

表5 稳定剂对芯材泡沫开孔率和孔径的影响

泡沫稳定剂用量1)开孔率/% 孔径/µm

0.50 92 290

0.75 90 250

1.00 86 150

注: 1) 相对于100质量份聚醚多元醇的用量。

由表5可见，开孔剂和泡沫稳定剂在配方体系中虽用量很小，但其相对用量对泡沫开孔率及孔径大小的影响却十分显著。

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