金屬飾面硬質聚氨酯夾芯板泡沫內部溫度研究

韓肄鵬 張建建 王鋼 羌晨晨

(南通四方節能科技有限公司 江蘇南通226399)

金屬飾面硬質聚氨酯夾芯板(簡稱聚氨酯夾芯板)是由兩層金屬薄板和粘接于兩層金屬薄板之間的硬質聚氨酯泡沫組合而成。 聚氨酯夾芯板具有保溫、隔熱、防水、防火且自重輕等優點，廣泛應用于冷鏈物流、建筑保溫、畜牧養殖等領域[1-3]。

在聚氨酯夾芯板連續化生產中，需要經過金屬飾面板成型、聚氨酯發泡、聚氨酯泡沫熟化、尺寸切割、夾芯板冷卻和堆垛包裝等多道連續化工序。 而當前的聚氨酯夾芯板的冷卻和堆垛包裝階段，生產企業多以生產經驗來規定冷卻時間，冷卻時間短會導致堆垛包裝好的夾芯板內部熱量大、溫度高，最終導致板材中間部位尺寸偏厚而影響夾芯板的整體外觀和質量。 冷卻時間過長會導致生產能力沒有充分的利用，影響生產效率[4-9]。

本實驗以相同配方和連續化生產工藝制得不同厚度的聚氨酯夾芯板，研究了在恒溫的測試環境中不同厚度夾芯板的溫度變化曲線、內部溫度最高值和降溫時間等。

1 實驗部分

1.1 主要原料

組合多元醇(苯酐類聚酯，羥值200 ～240 mgKOH/g)，斯泰潘(南京)化學有限公司；泡沫穩定劑X、復配催化劑C，贏創特種化學(上海)有限公司；阻燃劑TCPP，江蘇雅克化工有限公司；發泡劑正戊烷，山東京博石油化工有限公司；多亞甲基多苯基異氰酸酯(M50Ex)，巴斯夫(中國)有限公司。 以上原料均為工業級。

彩色涂層鍍鋅鋼板TDC51D-Z120，寶山鋼鐵股份有限公司。

1.2 主要設備及儀器

導熱系數測試儀，HFM446，耐馳科學儀器商貿(上海)有限公司；電子萬能試驗機，modelE43，美特斯工業系統(中國)有限公司；高低溫交變試驗箱，XK-8050-TSK80L，昆山向科檢測儀器有限公司；吸水率測試儀，JA21002P，上海舜宇恒平科學儀器有限公司；極限氧指數測試儀，昆山莫帝斯燃燒技術有限公司；聚氨酯泡沫/聚異氰脲酸酯泡沫(PUR/PIR)夾芯板(本文簡稱聚氨酯夾芯板)連續生產線，德國HENNECKE-OMS 公司；JK7000 型多路溫度記錄儀，常州市金艾聯電子科技有限公司；恒溫保溫房，自制。

1.3 聚氨酯夾芯板的制備

1.3.1 硬質聚氨酯泡沫配方及制作

聚氨酯硬泡的基本配方見表1。

表1 聚氨酯硬泡的基本配方

按照上述配方將組合多元醇、泡沫穩定劑、阻燃劑、蒸餾水按比例混合均勻制成組分A，復配催化劑為組分B、正戊烷為組分C、多亞甲基多苯基異氰酸酯為組分D，分別配制加入到聚氨酯夾芯板生產線的儲罐中。

1.3.2 金屬飾面硬質聚氨酯夾芯板的生產

生產工藝控制：控制生產線速度5 m/min、金屬飾面層溫度40 ℃、履帶板溫度60 ℃，混合發泡溫度30 ℃，高壓發泡壓力130 kPa，聚氨酯泡沫拉絲時間35 s，聚氨酯泡沫觸頂時間30 s。

聚氨酯夾芯板生產：上下兩層彩色涂層鋼板，經過開卷機開卷成型，金屬飾面層經過預熱進入到聚氨酯發泡段。 聚氨酯泡沫按照配方比例將A、B、C、D 組分經過高壓混合槍頭發泡均勻澆注在下層金屬飾面板上并送入至雙履帶板中，聚氨酯泡沫在上下履帶板中熟化。 聚氨酯夾芯板熟化完成后，按照實驗測試要求切割相應尺寸的聚氨酯夾芯板樣品。

1.4 分析與測試

板材厚度按GB/T 23932—2009 測試；密度按GB/T 6343—2009 測試；導熱系數按GB/T 10295—2008 測試；壓縮強度按GB/T 8813—2020 測試；尺寸穩定性按GB/T 8811—2008 測試；吸水率按GB/T 8810—2005 測試；氧指數按照GB/T 2406.2—2009測試。

聚氨酯夾芯板內部溫度測試：切割一塊經PUR/PIR 夾芯板連續生產線生產的夾芯板(4 000 mm×1 100 mm×板厚)并立即放入到自制的恒溫保溫房中。 在夾芯板的芯材聚氨酯部位沿長度方向每間隔1 000 mm 鉆出孔洞(孔洞深度為550 mm)后，將熱電偶的測溫端頭插入至聚氨酯芯材內(每組測試在聚氨酯芯材放置3 組熱電偶測溫)，測試的熱電偶的端頭位于夾芯板的寬度和厚度的中心點位置。 在熱電偶布置完畢后，測試孔洞處用雙組分聚氨酯發泡封堵，熱電偶的數據線用雙組分聚氨酯發泡包裹(包裹的聚氨酯泡沫直徑≥200 mm)，防止熱對流和熱傳導影響測試。 熱電偶的數據端連接于JK7000 型多路溫度記錄儀進行溫度和時間的數據記錄。 待測試結束通過JK7000 型多路溫度記錄儀的軟件系統對所測數據進行統計和分析。

2 結果與討論

2.1 聚氨酯夾芯板的性能測試

表2 是本實驗不同厚度聚氨酯夾芯板的性能測試的數據。

表2 聚氨酯夾芯板的性能檢測數據

從表2 可知，各種規格的夾芯板的性能(尺寸、強度、導熱系數和阻燃性能)均滿足國標要求，且測試數據相近，各項性能保持一致，避免由于夾芯板的質量不同，而影響其內部溫度測試的準確性。

2.2 聚氨酯夾芯板內部溫度隨時間變化曲線

5 種厚度聚氨酯夾芯板的內部溫度-時間曲線見圖1，厚度分別為50、100、150、200 和250 mm。

圖1 聚氨酯夾芯板內部溫度-時間曲線

由圖1 可知，5 種聚氨酯夾芯板生產后，其內部溫度會在短時間內快速上升達到最高值，隨著時間延長，內部溫度會緩慢下降至環境溫度后不再變化。

2.3 不同厚度聚氨酯夾芯板的內部最高溫度

表3 是相同的生產工藝下，不同厚度的聚氨酯夾芯板內部的最高溫度。

表3 不同厚度聚氨酯夾芯板內部最高溫度

由表3 可以看出，聚氨酯夾芯板的厚度越大，其內部的最高溫度就越高。 當厚度在150 mm 以下，隨著厚度增大，內部最高溫度增大明顯；當聚氨酯夾芯板的厚度在150 mm 以上時，內部最高溫度隨著聚氨酯夾芯板厚度增加上升較少。 這是因為聚氨酯夾芯板內部的溫度升高主要是由聚氨酯發泡時產生的熱量導致。 硬質聚氨酯是一個閉孔的保溫結構，厚度越大保溫效果越好，所以厚度較大的聚氨酯夾芯板內部的熱量不容易散發到環境中，內部熱量積聚溫度升高。 因此，聚氨酯夾芯板隨著厚度增大，內部最高溫度也增大并趨于一個極限值。

2.4 不同厚度聚氨酯夾芯板內部溫度降溫情況

2.4.1 聚氨酯夾芯板內部溫度降至70 ℃

一般50 mm 厚的聚氨酯夾芯板生產后不需要進行晾板降溫可直接進行堆垛放置，而50 mm 厚聚氨酯夾芯板的內部最高溫度71.3 ℃，因此本實驗選定70 ℃為降溫的一個標準點。

表4 是相同的生產工藝條件下，不同厚度的聚氨酯夾芯板其內部溫度降至70 ℃時所需時間。

表4 聚氨酯夾芯板內部溫度降至70 ℃時所需時間

由表4 可知，厚度越大，所需的降溫時間越長。這是因為厚度越大的聚氨酯夾芯板泡沫的最高溫度高，且硬質聚氨酯本身是一個優異的保溫材料，厚度越大保溫效果越好，降溫時間就越長。

2.4.2 聚氨酯夾芯板內部溫度降至環境溫度

表5 是相同的生產工藝條件下，不同厚度聚氨酯夾芯板其內部溫度降至25 ℃環境溫度所需時間。

表5 聚氨酯夾芯板內部溫度降至25 ℃時所需時間

由表5 發現，聚氨酯夾芯板內部溫度降溫至環境溫度需要較長的時間。 這是因為剛開始時，聚氨酯夾芯板內部溫度與環境溫度的差值很大，所以降溫較快；當內外溫差慢慢變小后熱量通過硬質聚氨酯泡沫材料傳導的速度會變慢，所以需要較長的時間才能夠降溫至環境溫度。

3 結論

(1)聚氨酯夾芯板厚度越大，其內部最高溫度也越大。 當聚氨酯厚度＜150 mm 時，隨著厚度增加，最高溫度增加幅度較大；當聚氨酯夾芯板厚度≥150 mm 時，隨著厚度增加，聚氨酯泡沫最高溫度增加較少。

(2)聚氨酯夾芯板的晾板時間可參考內部溫度降至70 ℃所需時間。 厚度為50、100、150、200 和250 mm 的聚氨酯夾芯板晾板時間分別需要約30、60、120、200 和300 min 左右。 結合目前生產線工況條件，厚度≥150 mm 的聚氨酯夾芯板生產要充分考慮線速度、晾板工位排布來保證晾板的時間，提高聚氨酯夾芯板的產品質量。

(3)聚氨酯夾芯板的反應完全、性能穩定的時間可以參考內部溫度降至環境溫度的時間。 厚度為50、100、150、200 和250 mm 的夾芯板，其時間分別需要200、500、800、1 000 和1 200 min 左右。 所以聚氨酯夾芯板最好放置24 h 后再進行入庫、性能檢測和發貨等操作。