前言
在過去,聚氨酯發泡產品主要的發泡方式為物理發泡,最普遍使用的是CFC類的化學品,又稱氟氯烴。隨著環保意識的高漲,人們開始發現它是破壞臭氧層的原因之一,蒙特利爾公約中將其列為禁止使用的化學品,為了順應情勢,聚氨酯原料因而改動,加工設備及方法也隨之改變。近代先端的工藝,以高壓機為基礎,推出了許多替代型發泡劑,例如:二氯甲烷、液態二氧化碳、水、烷烴類(例如環戊烷)、氫氟烴類等化學品,加工設備開發出相應新機型來將原料投入產線應用。
發展至今日,其中較為人們所關注為兩大範疇,化學發泡以全水發泡為首,其主要缺點是水的分量占比不可以太高,否則一來會使發泡的溫度過高(超過170℃)導致自燃;或是水量過終導致結構中脲鍵過多彈性較差、手感生硬,大多從原料體系/助劑的配方來做平衡與改善。 另一方面,物理發泡,以液態二氧化碳及環戊烷最有未來的前景。下面以液態二氧化碳(Liquid Carbon Dioxide)於聚氨酯發泡應用作設備與其優缺點的分析:
液態二氧化碳PU發泡的優勢
(1)其ODP數值為零,對臭氧無害,環保
(2)可以減少昂貴的異氰酸酯的原料消耗量。
(3)設備改造費用合理,可透過外掛式或改機的方式達成。
對於軟泡的優勢
(4)由於CO2的膨脹,適用於結構較複雜或是流動距離較長的模具,充模過程也較快。
(5)減少使用原料的用量及產品重量,但達到相仿的硬度、低密度、彈性手感、物性良好、吸音效果更佳。
對於硬泡的優勢
(6)相較於全水發泡,脲鍵較少,解決黏著性不足問題
(7)乳化效果可減少灌注過程的滲漏問題
(8)由於CO2的膨脹,密度更加均勻,充模過程也較快。
PU設備的擴展需求
要將液態二氧化碳(Liquid Carbon dioxide, LCD)均勻的乳化,並精準的計量後按一定的比例,溶入多元醇,最終在混合頭吐出。 目前在設備市場觀察到的主流方法如下:
(1)CO2與組份預混合進入發泡機循環:
透過成核裝置,保持發泡機內循環組份(一般為多元醇)的CO2濃度。液態CO2透過計量泵搭配流量閥,經靜態混合管與PU單組份混合後,在發泡機的工作料罐與管線之間循環,並持續以閉環系統控制其濃度。
另外,有些廠商也開發將”氣態CO2″溶入多元醇循環管線的技術。例如LINDEN的CO2 Gas Infusion技術,
其中,可按需求直接在料罐循環混入CO2或是預先混入中繼料罐,兩種方法。例如KM_GBE成核裝置的原理概念。
(2)CO2直接於混合頭混合後吐出:
透過特殊設計的混合頭配搭CO2計量單元,在每一次吐出時,輸出精準且定量的液態CO2與多元醇一同注入混合頭,與異氰酸酯及多元醇作高壓碰撞混合。每次吐出的CO2濃度可以獨立控制。例如, CannOxide™ 用於PU模塑技術。
以上(1),(2)均為高壓機應用範疇,
(3)CO2與組份在線混合後,再進入混合頭吐出:
將CO2與多元醇以及其他助劑,於輸送管線中靜態混合,多組份於匯排流中匯集,最終於低壓混合頭內在與催化劑及異氰酸酯攪拌混合。例如:NOVAFLEX® 於大型塊泡的應用。
液態二氧化碳PU發泡的劣勢
(1)於低密度發泡中容易產生微小針孔問題
(2)在發泡過程中,相較於CFC,CO2發散較快,其配方及操作上有更多的細節,以解決例如產品收縮問題。
(3)液態CO2的儲存、輸送以及計量等技術難點,皆需要精巧設備設計來克服,投資也相對提升。
(3)CO2的熱導率較傳統CFC高,對於隔熱要求較高的硬泡領域較難滿足。
引用出處:
1. 聚氨酯加工設備手冊/徐培林, 張淑琴 編著
2. https://www.gdjinge.com/h-nd-737.html/
3. http://www.nortec-cannon.dk/media/1097/cannoxide.pdf
4. https://www.kraussmaffei.com/media/files/rpm/RPM_BR_Dosiermaschinen_en_16.pdf
5. https://www.hennecke.com/sites/default/files/downloads/novaflex_de_en.pdf
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