聚氨酯硬泡新一代发泡剂发展趋势及在建筑业

聚氨酯硬泡新一代发泡剂发展趋势及在建筑业
非连续性板材中的应用
张杰张鹏
（拜耳聚合物集团-亚太地区，中国业务拓展及技术服务部）
稻泽康生
（拜耳聚合物集团-亚太地区,日本业务拓展及技术服务部，日本住友拜耳聚氨酯株式会社）
摘要：随着蒙特利尔条约在相关国家的实施，CFC化合物逐步被淘汰。

HCFC化合物的逐步淘汰也提上了议程并己在欧洲、美国、日本等一些国家实行了逐步禁止和逐步淘汰。

因而HCFC-141b发泡剂的替代工作将是未来几年聚氨酯硬泡领域研发的主要课题。

替代发泡剂的选择因泡沫的用途、地理区域及相关法规不同而有所差异。

拜耳公司很早就致力于HCFC-141b的替代工作，并为不同的发泡剂和不同的领域开发了相应的配方。

本文介绍了该公司HCFC-141b、HFC-245fa、HFC-365mfc、245fa/365mfc(1/1)和环戊烷发泡体系生产聚氨酯板材的工艺参数以及泡沫的性能、建筑用聚氨酯硬泡的阻燃要求等。

关键词：聚氨酯；硬质泡沫塑料；CFC替代；氢氟烃；发泡剂；建筑保温
随着人们对环境保护意识的增强，消耗臭氧层的物质将逐步被淘汰。

在聚氨酯硬泡领域，发泡剂CFC-11由于对臭氧层有很大的破坏，因此已经逐步被替代，而替代物HCFC-141b对臭氧层也有破坏作用。

因此，所有参加蒙特利尔公约的国家将按照计划逐步淘汰HCFC-141b的使用，欧洲、美国、日本等一些发达国家制定了自己的法规，已经或将提前淘汰HCFC-141b的使用。

根据泡沫的用途及区域的不同，替代发泡剂有不同的选择，因此本文首先介绍了硬泡新一代替代发泡剂的发展趋势。

中国作为参加蒙特利尔公约的国家，也将面临HCFC-141b的替代工作。

尤其在硬泡产品出口到发达国家时，可能会更早遇到这样的问题。

拜耳公司很早就致力于HCFC-141b的替代工作，在不同的国家，为不同的领域开发了相应的配方。

聚氨酯硬泡在建筑行业的应用在中国刚刚起步，并将得到高速的发展。

因而，本文对新一代发泡剂配方在建筑行业，尤其在非连续板材中的应用做了详细的阐述。

1 聚氨酯硬泡用新一代发泡剂发展趋势
作为HCFC-141b的替代发泡剂，主要有HFC化合物(如HFC-245fa、HFC-365mfc等)和烷烃(HC)类物质(如戊烷、丁烷等)，表1列出了这些物质的物理性能。

表1 HCFC-141b与新一代发泡剂物理性能
类别HCFC HFC HFC HC
化学名称141b 245fa 365mfc 环戊烷
化学结构CH3CCl2F CF3CH2CHF2CF3CH2CF2CH3C5H10
相对分子质量117 134 148 70
沸点/℃32 15 40 49
闪点/℃无无－23 －42
爆炸极限/％7.6～17.7 无 3.8～13.3 1.4～8.0
ODP 0.11 0 0 0
GWP 630 950 890 3
热导率/mW·(m·K)-19 12 11 11
HFC-245fa、HFC-365mfc及环戊烷是硬泡发泡剂HCFC-141b的三种最佳替代物，由于物理性能的不同，导致这三种新发泡剂在应用中存在着不同的优缺点，表2列出了HCFC-141b及三种新发泡剂的优缺点。

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表2 HCFC-141b及三种新发泡剂的优缺点
HCFC-141b HFC-245fa HFC-365mfc 环戊烷
优点不燃烧
高溶解度不燃烧高闪点低GWP
中溶解度
高闪点
价格便宜
用量少
缺点增塑性
表面缺陷
破坏臭氧层
GWP
低溶解度
高蒸汽压
需冷却单元
GWP
粘结性差
价格昂贵
用量较多
可燃
低溶解度
GWP
粘结性差
价格昂贵
用量较多
可燃
中溶解度
有机物挥发
从表1、表2可以看出，替代HCFC-141b的发泡剂之间也存在着很大的差异，因此在不同的国家，不同的行业，对替代发泡剂的选择也有着很大的差异，表3列出了欧盟、美国和日本在不同行业中对硬泡发泡剂的选择。

表3 不同领域及不同区域对替代发泡剂的选择
应用欧盟美洲日本
块状泡沫戊烷(Pentane) 245fa 戊烷(Pentane)
夹心板戊烷(Pentane) 戊烷，245fa/22 245fa，22，365/227
喷涂泡沫365mfc, 365/227 245fa 245fa，365/227
冰箱戊烷(Pentane) 245fa，134a/22 戊烷(Pentane)
其他戊烷(Pentane) 245fa，22 245fa
HFC替代发泡剂由于价格昂贵，在应用上受到了一定的限制。

HFC-245fa、HFC-365mfc是最近几年才开始逐步工业化的，随着各个生产商的投产和技术的改进，生产成本会有一定的下降。

表4列出了HFC 生产商的基本情况。

表4 HFC生产商的基本情况
HFC发泡剂365mfc 245fa 245fa
生产商Solvay(德) Honeywell(美) Central Glass(日) 地点Tavauy(法) Louisiana(美)Kawasaki(日)
生产能力15,000 t/a 18,000 t/a 5,000 t/a
开业时间2003年1月2002年8月2003年10月
价格4～5欧元/kg 8～10美元/kg 700日元/kg
备注闪点－27℃, 与HFC227ea混合
后不可燃
与冰箱生产商有供应合同已加添加剂,降低蒸汽压
2 建筑用聚氨酯硬泡的保温及阻燃要求
聚氨酯硬泡最大的特点就是其优越的保温性能。

作为建筑用保温材料，除了要求其导热系数低以外，阻燃又是对其的基本要求之一。

总体而言，建筑用聚氨酯硬泡分为夹心板材（连续及间断式，金属及非金属面材）、块泡（连续及间断式）、喷涂材料等。

欧洲、北美及日本等发达国家及地区，都要求用新型发泡剂生产的泡沫，其导热系数与传统HCFC-141b发泡成型的泡沫相当。

其阻燃标准，则根据不同国家的国情及应用领域的不同有所差异。

表5列出了欧美及日本的建筑用聚氨酯硬泡阻燃标准概况。

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表5 不同区域对建筑用聚氨酯硬泡阻燃标准
欧盟北美日本
阻燃等级C-F级1级、2级NM,QM,RM
测试标准EN 13501 等ASTM E84 ISO 5660等
测试方法SBI等地道测试锥型热量法等
备注新标准未最后定
目前中国使用的是GB 8624－97版标准，阻燃等级分为B1级，B2级和B3级。

根据目前的新情况，新的版本正在修订中。

为了减少阻燃剂的用量且达到较好的阻燃效果，聚异氰脲酸酯(PIR)泡沫塑料正越来越被人们开发应用。

表6列出了PIR系统泡沫塑料的优缺点。

表6 PIR泡沫体系的优缺点
优点缺点
导热系数低泡沫较脆
阻燃性能好与面材粘接不是最好
在不用卤素阻燃剂时达到B2阻燃等级表面熟化较慢
泡沫抗压强度及尺寸稳定性好
泡沫脱模性好
容易加工成型
通过体系的不断优化，PIR系统的这些缺点都是可以减少甚至克服的。

在此领域，拜耳公司做了大量的研发工作，本文在下面的章节中将作更详细的介绍。

3 应用新发泡剂生产非连续性板材
拜耳公司作为全球最大的聚氨酯供应商，在硬泡发泡剂的替代方面，根据不同的行业，针对不同的新发泡剂开发了相应的配方。

本文以非连续性板材为例，对新发泡剂的应用及配方的开发进行了详细的介绍。

3.1 多元醇体系
根据发泡剂的特性，开发了相应的多元醇体系(即组合聚醚)，各多元醇体系的特性列于表7中。

表7 不同发泡剂非连续性板材多元醇体系
多元醇编号01RD042 01RD045 01RD043 01RD046 02RD075 发泡剂品种HCFC-141b HFC-245fa HFC-365mfc 245fa/365mfc(1/1)环戊烷羟值/mgKOH·g-1300 290 280 290 325 水的质量分数/％ 2.2 2.2 2.1 2.2 2.2 阻燃剂A质量分数/％10.5 10.2 10.0 10.1 14.1 阻燃剂B质量分数/％0 0 0 0 3.5
3.2 配方组成及手工发泡
各多元醇体系加入相应的发泡剂后与适量的多异氰酸酯反应，生成硬质聚氨酯泡沫，所用的多异氰酸酯PAPI为拜耳公司生产的Desmodur 44V20L(NCO质量分数31.4％，25℃粘度200 mPa·s)。

具体的配方组成及手工发泡的数据列于表8。

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表8 不同的配方组成及手工发泡数据
配方编号24 25 28 42 B 发泡剂HCFC-141b HFC-245fa HFC-365mfc HFC-245fa/365mfc =1/1 c-pentane 多元醇体系编号01RD042 01RD045 01RD043 01RD046 02RD075 发泡剂用量/份17.6 20 22.5 21.3 8.8 PAPI用量/份133 133 133 133 129 乳白时间/s 14 12 12 11 13 凝胶时间/s 87 85 86 86 100 不粘时间/s 157 146 165 123 148 上升时间/s 131 121 124 123 173 自由发泡密度/kg·m－325.0 23.7 24.6 25.5 26.6
3.3 高压发泡机试验
对所有的配方在高压发泡机上进行发泡试验和夹心板的生产试验，具体的试验结果和数据如表9。

表9 不同配方高压发泡机试验
配方编号24 25 28 42 B
发泡剂HCFC-141b HFC-245fa HFC-365mfc 245fa/365mfc(1/1) c-pentane 乳白时间/s 11 9 8 7 10 凝胶时间/s 70 73 70 64 76 不粘时间/s 164 166 148 162 161 自由发泡密度/kg·m－324.5 25.3 24.5 24.2 26.0 恰填充密度/kg·m－328.4 28.0 28.3 26.9 30.5 流动指数 1.16 1.11 1.16 1.11 1.17 填充率/％121 120 121 122 117 板密度/kg·m－334.3 33.6 34.2 32.8 35.6 板芯密度/kg·m－3
板尾部29.7 30.3 30 29.1 30
板中间30 30.1 30.5 29.2 31.3
3.4 泡沫的物理性能
对不同的配方生产后的夹心板泡沫进行物理性能的测试，测试的数据列于表10中。

表10 泡沫的物理性能
配方编号24 25 28 42 B
发泡剂HCFC-141b HFC-245fa HFC-365mfc 245fa/365mfc(1/1) c-pentane 压缩强度/kPa
尾部(宽/长/高) 147/98/137 108/108/137 108/108/127 137/98/127 157/147/147 板中间(宽/长/高) 118/147/127 98/127/137 108/147/137 98/137/127 127/127/147 弯曲强度/kPa
尾部(宽/长) 255/265 294/294 274/294 255/274 333/363 板中间(宽/长) 265/294 274/304 274/314 255/284 372/421 燃烧性JIS A9511(板中间)
平均燃烧时间/s 40 37 42 46 49 平均燃烧距离/mm 31 31 31 33 46
尺寸稳定性/％
70℃(尾部/板中间) －0.3/0.5 －0.4/－0.4 0.5/0.4 0.4/0.5 －0.6/－0.7
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184
续表10 泡沫的物理性能
配方编号
24 25
28 42 B
－30℃(尾部/板中间) －0.3/0.2 0.3/－0.2 0.5/0.3 0.3/0.4 －0.4/－0.7 70℃, 95%RH 0.5/0.4
0.6/－1.6 1.3/1.0 0.5/0.9 －0.7/－0.7
闭孔率/％
86 88 88 88 87 吸水率/ g ·dm －2
2.6 1.9 1.7 1.9 1.1 K f 初始值/W ·(m ·K)-1 (40℃/10℃)
尾部/板中间
22.3/22.7 22.5/22.9
22.7/23.3
22.9/23. 4
23.8/23.4
注：尺寸稳定性为发泡3天后测试。

3.5 导热系数与平均温度的关系
由于泡沫的导热系数会因测试时的平均温度有所不同，所以我们又对平均温度对各配方泡沫导热系数的影响做了研究和测试，测试结果如图1所示。

图1 不同平均温度下各配方泡沫的导热系数
3.6 导热系数与时间的关系
泡沫的导热系数又会随时间的推移而变化，所以在此我们测试和研究了时间对各配方泡沫导热系数的影响，具体的测试结果如图2所示。

图2 不同时间下各配方的导热系数 (25℃)
3.7 夹心板表面情况
在夹心板生产中，泡沫表面的情况可以是验证配方好坏的一个依据，因此我们对不同发泡剂的各个
21.0
21.522.022.523.023.524.024.50
100
200300400
时间/d
导热系数/ [m W /(m ·K )]
181920
2122
23
242526-10
10
203040
50
平均温度/℃
导热系数 /[m W /(m ·K )]
配方生产的夹心板的表面进行了观察拍照，具体的情况见图3～图7。

图3 用141b发泡的泡沫表面现象
图4 用245fa发泡的泡沫表面现象
图5 用365mfc发泡的泡沫表面现象
185
图6 用245fa/365mfc发泡的泡沫表面现象
图7 用环戊烷发泡的泡沫表面现象
4 结论
a 从以上图表的数据及试验的结果可以看出，用HFC或HC替代HCFC-141b后，泡沫的物理性能没有很大的差异，所以不用担心用HFC或HC替代141b后对泡沫性能的影响。

b 对最普遍的使用温度、应用场合，以及对成本的综合考虑，有不同的替代发泡剂可供选择。

c 通过优化配方的组成，无论采用何种发泡剂都可以得到更佳的泡沫性能，满足不同的需要。

拜耳公司作为全球最大的聚氨酯供应商，很早就致力于HCFC-141b的替代研究工作，并为不同地区、不同领域、不同要求的各种客户开发了各种的替代配方。

可以为客户提供HCFC替代工作的全过程、全方位的技术支持。

特别应该说明的是，在2001年11月正式对外服务的拜耳(中国)有限公司上海聚合物科研开发中心，将为广大中国聚氨酯客户提供更为及时、快捷和周到的技术支持和服务。

将更好地根据中国的实际情况，开发各种适应不同客户的配方和产品，也将为中国客户CFC-11及HCFC-141b的替代工作，尤其在建筑业提供强有力的支持。

New Generation of Blowing Agent for PU Rigid Foam in Construction Industry
----Discontinuous Panel Application
Zhang Jie (Bayer Polymers, Asia Pacific, Business Development, Insulation China)
Zhang Peng (Bayer Polymers, Asia Pacific, Business Development, Insulation China)
186
Inazawa Yasuo (Bayer Polymers, Asia Pacific, Business Development, Insulation Japan)
Abstract：While Montreal Protocol has been implemented worldwide and CFC has been phased out in most of industry countries, phasing out of HCFC becomes a more and more important issue for PU industry. In NAFTA, Europe and Japan, HCFC has been phased out or has been limited in usage with schedule. Choosing a suitable substitute of HCFC is one of the most important tasks for PU research work. Different countries, different area may need different substitutes of HCFC. To meet the various needs of our customers, Bayer has worked out a series systems using different substitute material of HCFC in PU industry. This paper will introduce the application of new generation of blowing agent, such as Pentane, 245fa, 356mfc, 245fa/356mfc mixture etc. in construction industry, especially in discontinuous panel production. The advantages, disadvantages, as well as the physical properties of different systems using different blowing agent will be also discussed in this paper.
Keywords: polyurethane; rigid foam; HCFC replacement; insulation of construction material
致谢：作者在此向为此论文提供无私帮助的Busch博士，和田康一先生，潘少杰先生及李立强先生致以深深的谢意。

作者简介：
Biographies
张杰博士，1994年在德国汉堡大学获得化学博士学位，毕业后进入Bayer AG，
在聚氨酯应用-隔热绝缘体部工作。

1997年，调至Bayer东南亚私人有限公司
新加坡技术中心，从事于亚洲市场聚氨酯硬泡系统的开发工作。

1999年3月至
2001年12月，调至中国南京金陵拜耳聚氨酯有限公司，主管质量保证、配方
开发和技术服务工作。

从2002年1月，她是拜耳中国有限公司上海聚合物研发
中心聚氨酯部的技术主管。

2003年1月开始，成为拜耳聚合物/亚太区中国（隔
热绝缘体）业务拓展部的主管。

Dr.Jie Zhang obtained Ph. D of chemistry from University of Hamburg in
Germany in early 1994, then she joined Bayer AG and worked in insulation
department of PU-Marketing for application. She was transferred to Singapore Technical Center of Bayer Southeast Asia Pte. Ltd in 1997, focused on development of rigid foam system for Asia market. From Mar 1999 to Dec 2001, she was sent to Bayer Jinling Polyurethane Co. Ltd in China, in charge of quality assurance, formulation development and technical service. From Jan 2002, she is the head of the PU technical group of Bayer China Shanghai R&D Center. From Jan 2003, she became the head of Business Development –Insulation China- of Bayer Polymers / Asia Pacific.
稻泽康生先生，1983年从德岛大学获硕士学位后，进入住友化学（日本）和
拜耳公司（德国）的合资公司---住友拜耳聚氨酯工作。

1983年到1985年3月，
他在聚氨酯/分析研究部主管分析工作。

1985年4月至1989年9月，从事于家
电行业的聚氨酯硬泡系统的开发工作。

1989年10月至1994年3月，被派到住
友拜耳涂料部工作。

从1994年4月开始，在住友拜耳聚氨酯隔热绝缘体部任高
级项目经理，主管聚氨酯建材的开发工作。

2003年1月起，成为拜耳聚合物/
亚太区日本（隔热绝缘体-建材）业务拓展部的高级项目经理。

Mr. Yasuo Inazawa joined Sumika Bayer Urethane, joint venture between
Sumitomo Chem. (Japan ) and Bayer ( Germany ), after receiving the Master’s of Engineering from
187
Tokushima University in 1983. From 1983 to Mar. 1985, he worked in PU/ARD in charge of analysis. From April 1985 to Sep.1989, he has engaged in the system development of PU rigid foam for appliance industries. From Oct. 1989 to Mar1994, he was assigned in coating department of SBU. Starting April 1994, he worked as senior project manager in Insulation Group of SBU, in charge of development of PU construction material. From Jan.2003, he is the senior project manager of Insulation-Construction of Business Development of Japan. Bayer Polymers/Asia Pacific.
张鹏先生，1996年毕业于上海交通大学高分子材料专业，获学士学位。

同年进入杭州西泠制冷电器有限公司工作，任聚氨酯发泡管理工程师。

2000年1月至2002年7月，在上海紫旭聚氨酯有限公司工作，从事于聚氨酯硬泡系统的开发和技术服务工作。

2002年8月开始，在拜耳中国有限公司上海聚合物研发中心任技术服务工程师。

2003年1月起，成为拜耳聚合物/亚太区中国（隔热绝缘体）业务拓展部的技术服务工程师。

Mr. Peng Zhang graduated from Shanghai Jiaotong University as bachelor degree in Polymer Science in 1996. In the same year, he joined Hangzhou Xiling Refrigeration Appliance Co., Ltd, worked as an engineer for PU foaming management. From January 2000 to July 2002, he worked in Shanghai Zijiang Asahi Urethane Co., Ltd, engaged in the system development of PU rigid foam & technical service for customers. From August 2002, he worked as technical service engineer in Bayer China Shanghai Polymer R&D Center. From January 2003, he became the technical engineer of Business Development – Insulation China - of Bayer Polymers/Asia Pacific.
188。