解决方案

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RETé UR-5988:低K值/低缺陷硅油在冰箱中的应用

刘强
曹佳

奥斯佳材料科技
聚氨酯添加剂

松胜路1218号
201600 上海
中国


硬质聚氨酯泡沫塑料(rigid polyurethane foam,简称 RPUF),又称聚氨酯硬泡,是以聚醚或者聚酯多元醇与异氰酸酯以及水、多元胺或小分子多元醇等扩链剂或交联剂在催化剂的作用下经发泡而成的泡沫材料。([1] 方禹声,朱吕民。聚氨酯泡沫塑料(第2版)。北京:化学工业出版社,1987.182)具有重量轻、比强度高,尺寸稳定性好、机械强度高的优点,同时硬质聚氨酯泡沫塑料的绝热性能优越,是保温材料中导热系数极低的材料之一,主要用于冰箱冰柜、建筑板材、管道等领域,被誉为“实现65%节能的理想保温材料”。([2] 陈宣. 聚氨酯的应用和开发研究[J]. 产品与市场,2007(1):20-21.)

但随着环保法规要求的日趋严格,以及家电能效标准的日益提高,冰箱行业对聚氨酯硬泡的产品和能效要求也逐渐变高,具有更为优异的导热系数和更低的整体能耗水平显得尤为重要,整体行业发展正朝着高效节能、安全环保的方向持续推进。([3]刘保花等.环保型聚氨酯泡沫塑料发泡剂在冰箱领域的应用研究[J]. 山东化工,2015,44(20):71-73.)

针对目前冰箱行业现状,奥斯佳(OSiC)通过与市场上常用一款性能优异的冰箱用有机硅匀泡剂B对比,研发出一款新型有机硅匀泡剂UR-5988,减少整体表面缺陷的同时,显著降低聚氨酯硬泡的导热系数,从而可以减少冰箱整机的能耗。

1、实验部分

1.1 主要原料

聚醚多元醇A,聚醚多元醇B,聚醚多元醇C,句容宁武新材料股份有限公司;
PC-5、PC-8、PC-41,江苏奥斯佳材料科技股份有限公司;
有机硅匀泡剂UR-5988,江苏奥斯佳材料科技股份有限公司;
市场有机硅匀泡剂Sample-B;
发泡剂环戊烷,佛山美龙环戊烷化工有限公司;
HFC-245fa,Honeywell International公司;
PM-200,万华化学集团股份有限公司。以上均为工业级。

1.2 仪器与设备

Fox-200型导热系数仪,美国Laser Comp公司;高速搅拌器,德国PENDRAULIK公司;L模,爬高管,定制;JSM-7600F型扫描电镜,日本电子株式会社;HY-0580型万能测试仪,上海衡翼精密仪器有限公司。

1.3冰箱评估基本配方及泡沫制备方法

原料 用量/份
混合聚醚多元醇 100
匀泡剂 2
PC-5 0.1-0.2
PC-8 1-1.2
PC-41 0.4-0.5
2
CP/CP+245fa 14-18
粗MDI 120-125

采用一步法,将各原料按基本配方配成组合料,将粗MDI按一定比例倒入组合聚醚,高速搅拌(3000 r/min)10 s,倒入模具或自由发泡,形成聚氨酯硬质泡沫,将泡沫在室温下熟化24 h,测试物性。

1.4 测试标准
按照GB/T 6343-2009标准测试泡沫密度;按照GB/T 10295-2009标准测试泡沫导热系数;按照GB/T 8813-2008标准测试泡沫压缩强度;按照GB/T 8811-2008标准测试泡沫尺寸稳定性。
流动性:将发泡原液倒入特定发泡杯,封住下端口,使泡沫延爬高管上升。测定管中泡沫高度H(cm)和管中泡沫质量m(g),其比值H/m即表示流动指数(cm/g)。

2、结果与讨论

2.1、UR-5988在组合料中的相容性及泡孔SEM表征
组合料相容性是判断有机硅匀泡剂在组合料体系中是否稳定的重要指标。将UR-5988在CP、CP/245fa两种体系下配成组合料,室温下放置6个月,组合料均一澄清,未分层,说明UR-5988在冰箱组合料中相容性好。

图1 组合料相容性

图2是UR-5988在CP、CP/245fa两种体系中发泡得到的扫描电镜图,从图中可以看出,泡孔尺寸都比较均一,说明得到的泡沫的泡孔比较细腻。

图2 泡沫的SEM图

2.2、流动指数
冰箱、板材以及管道等保温材料的成型,要求组合料具有良好的流动性,流动性的好坏,对聚氨酯硬泡的性能有显著的影响。
在CP和CP/245fa两种体系下,我们采用爬高管,测试UR-5988和Sample-B的流动性指数,见表1(单位:cm/g):

表1 UR-5988与Sample-B的流动性指数
发泡体系         泡沫稳定剂 CP CP+245fa
UR-5988 1.25 1.31
Sample-B 1.26 1.32

由表1可知,UR-5988在CP和CP/245fa两种体系中的流动指数与市场产品Sample-B基本一致,处于同一水平。

2.3、泡沫表面性能
泡沫表面性能,是聚氨酯泡沫的主要指标之一,它的好坏在一定程度下可以影响硬泡性能。由UR-5988与Sample-B在CP和CP/245fa两种体系下制备的泡沫表面缺陷如图3所示:

图3.1 CP体系下,UR-5988与Sample-B的泡沫缺陷
图3.2 CP/245fa体系下,UR-5988与Sample-B的泡沫缺陷

从图3可以看出,在CP和CP/245fa两种体系下,UR-5988的表面空洞都要少于Sample-B,说明UR-5988的表面性能优于Sample-B。

2.4、导热系数
导热系数是衡量材料保温性能的重要指标,直接影响着冰箱、板材等成品的保温效果和能耗。主要来源于3个热传递控制过程:聚合物热传导、气体热传导和辐射热传导。气体热传导主要来源于发泡剂,在发泡剂一定的条件下,可以通过改变泡沫稳定剂,提高乳化性能,改善泡沫密度和泡孔结构,使聚氨酯硬泡的泡孔变得细腻,从而降低导热系数。表2是UR-5988与Sample-B在CP和CP/245fa两种体系下制备的泡沫的导热系数[单位:mW/(m·k)]:

表2 UR-5988与Sample-B制备泡沫的导热系数
导热系数         泡沫稳定剂 CP CP+245fa
UR-5988 21.60 21.46
Sample-B 21.80 21.58

从表2可知,在CP体系下,UR-5988的导热系数为21.60 mW/(m·k),相比Sample-B的导热系数低0.2 mW/(m·k);
在CP/245fa体系下,UR-5988的导热系数为21.46 mW/(m·k),相比Sample-B的导热系数低0.12 mW/(m·k)。
根据以上数据可以看出,UR-5988的导热系数在CP和CP/245fa两种体系下都要低于Sample-B,极其显著。

2.5、压缩强度
压缩强度是衡量材料力学性能的重要指标之一,压缩强度越大,说明材料抵抗压缩载荷而不失效的能力越大,材料结构越稳定,并且由于聚氨酯硬泡沿一定方向生长,使其在平行与垂直两个方向的压缩强度有差异,对于泡沫制品而言,两者差异越小,说明泡沫越趋于各项同性,稳定性越高。
表3是UR-5988与Sample-B在CP和CP/245fa两种体系下制备泡沫的聚氨酯硬泡的压缩强度对比:

表3 由UR-5988与Sample-B制备的泡沫的压缩强度
泡沫稳定剂 压缩强度/kPa
CP CP+245fa
平行 垂直 各向异性 平行 垂直 各向异性
UR-5988 162 154 0.95 181 168 0.93
Sample-B 166 154 0.93 179 169 0.94

从表3可以看出,在CP和CP/245fa两种体系下,由UR-5988与Sample-B制备的泡沫的压缩强度以及各向异性基本一致,没有太大差别。

2.6、尺寸稳定性
尺寸稳定性体现聚氨酯硬泡的使用寿命,泡沫尺寸稳定性差,泡沫会出现收缩、脱落的问题。因此,尺寸稳定性是聚氨酯硬泡的一个重要性能。
 表4是UR-5988与Sample-B在CP和CP/245fa两种体系下制备的泡沫尺寸稳定性对比:

表4 由UR-5988与Sample-B制备的泡沫的尺寸稳定性
泡沫稳定剂 CP CP+245fa
尺寸稳定性(48h、-30 ℃)/% 尺寸稳定性(48h、100 ℃)/%
UR-5988 -0.20 -0.11 -0.09 -0.39 -0.26 -0.33
Sample-B -0.18 -0.16 -0.07 -0.28 -0.37 -0.41

从表4可以看出,在CP和CP/245fa两种体系下制备的泡沫,其长、宽、高三个方向上的尺寸稳定性基本一致,都小于1 %,没有出现显著的收缩,两者没有显著的差别。

3、结束语
在CP和CP/245fa两种发泡体系下,对比了OSiC新产品UR-5988与市场产品Sample-B的流动性、导热系数、压缩强度、尺寸稳定性和表面缺陷等性能,结果表明:
(1)由UR-5988与Sample-B制备的泡沫的尺寸稳定性、流动性以及压缩强度等性能基本一致,没有太大差别;
(2)由UR-5988制备的泡沫的导热系数比Sample-B低,保温功能更好;
(3)由UR-5988制备的泡沫的表面缺陷比Sample-B少。

作者介绍

刘强
江苏大学分析化学硕士。2015年入职奥斯佳材料科技,中级工程师,知识产权工程师,姑苏重点产业紧缺人才,长期从事聚氨酯助剂的研究开发工作,丰富的项目管理经验。

曹佳
1984年出生,东华大学硕士研究生毕业,2010年至2020年先后就职巴斯夫聚氨酯特种产品(中国)有限公司和科思创聚氨酯(中国)有限公司,从事聚氨酯家电和建材硬泡技术服务经理工作。2020年加入奥斯佳,任职技术和销售经理,主管聚氨酯硬泡应用评估和大客户销售服务等相关工作。

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