0引言

　　截至到2001年年底，我國(guó)太陽(yáng)熱水器保有量約3300萬(wàn)m2，占保有量的70%，年產(chǎn)量達(dá)到780萬(wàn)m2，產(chǎn)品年銷(xiāo)售量是歐洲的10倍，成為太陽(yáng)熱水器的*使用國(guó)和生產(chǎn)國(guó)。其中占*大的真空管太陽(yáng)熱水器是一個(gè)地地道道的中國(guó)產(chǎn)品，從設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)到生產(chǎn)制作都無(wú)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)可借鑒，存在許多有待于在實(shí)踐中慢慢完善的問(wèn)題。*，對(duì)太陽(yáng)熱水器來(lái)說(shuō)，尤其是真空管太陽(yáng)熱水器聚氨酯保溫層的質(zhì)量至關(guān)重要，它決定了熱水器的保溫效果。聚氨酯產(chǎn)品歷來(lái)有“三分產(chǎn)品，七分發(fā)泡”的說(shuō)法，也就是說(shuō)，不僅需要好的聚氨酯發(fā)泡料，更需要一個(gè)科學(xué)的發(fā)泡工藝和嚴(yán)格的操作規(guī)程。

　　泡沫收縮是太陽(yáng)熱水器普遍存在的問(wèn)題，它能導(dǎo)致水箱變形、起鼓起楞甚至開(kāi)裂，也即是太陽(yáng)能生產(chǎn)廠家經(jīng)常所說(shuō)的“脫皮”、“脫殼”、“抽出一條脊梁骨”等現(xiàn)象。下面探討一下泡沫收縮的成因。

　　2泡沫收縮成因分析

　　2.1形成不良泡沫

　　不良泡沫是造成泡沫收縮的主要原因之一，其尺寸收縮率為2%~10%。

　　目前，太陽(yáng)熱水器用聚氨酯泡沫都是一次或多次澆注自由發(fā)泡而成，以多次澆注為主。發(fā)泡過(guò)程中，除受大氣壓作用外，不受其他任何外界壓力的作用。聚氨酯泡沫填充空間在凝膠過(guò)程到來(lái)之前必須*填滿，凝膠之后，若泡沫體積仍在繼續(xù)膨脹，所形成的泡沫，泡孔將明顯拉長(zhǎng)，嚴(yán)重者可呈纖維狀，其物理機(jī)械性能很差，本文稱(chēng)之為“不良泡沫”。它降溫后，因泡孔中氣體冷凝而嚴(yán)重收縮，受熱后隨泡孔中氣體膨脹而膨脹。多次澆注的發(fā)泡方式使得這種“不良泡沫”所占比例增大。再者相鄰兩次澆注形成的交界處泡沫，因收縮率的不同受冷時(shí)，易造成泡沫開(kāi)裂。因此在設(shè)計(jì)泡沫成型工藝時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)成一次澆注過(guò)量填充的發(fā)泡方式。所謂過(guò)量填充，是指泡沫在凝膠之前*填滿空間，凝膠之后因空間受限，泡沫體積無(wú)法繼續(xù)膨脹，且自行產(chǎn)生的發(fā)泡壓力，有利于形成圓球型結(jié)構(gòu)的泡孔，這種形式的泡沫體泡孔強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，不易變形。而目前太陽(yáng)能熱水器的發(fā)泡工藝對(duì)凝膠之后的體積膨脹無(wú)法控制，因?yàn)閮?nèi)膽無(wú)法承受過(guò)量填充而帶來(lái)的發(fā)泡壓力。如果要泡沫達(dá)到正常性能，需要對(duì)太陽(yáng)熱水器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)泡工藝進(jìn)行一次大變革，否則不能從根本上解決這一問(wèn)題。

　　2.2泡沫密度

　　從理論的控制上說(shuō)，以CFC-11作發(fā)泡劑的泡沫密度在到達(dá)32kg/m3時(shí)，泡沫就應(yīng)該有足夠的強(qiáng)度來(lái)抵御溫度的變化。但考慮到太陽(yáng)熱水器惡劣的工作環(huán)境，工作時(shí)的內(nèi)外溫差（可能達(dá)到100℃），以及工作壽命的要求，我們推薦泡沫低密度不得低于35kg/m3。如果發(fā)泡劑是HCFC-141b，那么泡沫密度應(yīng)該增到38kg/m3以上。

　　有的發(fā)泡料供應(yīng)商，為了提高其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，將泡沫密度降至30kg/m3以下。這雖然表面上降低了泡沫生產(chǎn)成本，但泡沫強(qiáng)度低，不足以承載裝滿水的水箱重量，使得泡沫被慢慢壓扁，水箱的部分重量由真空管頂端支撐，真空管存著在被壓碎的危險(xiǎn)。這種現(xiàn)象在部分太陽(yáng)能生產(chǎn)廠家已有先例。

　　2.3料比偏差

　　絕大多數(shù)發(fā)泡機(jī)的料比固定為1：1，也不便調(diào)整，但實(shí)際料比常受到發(fā)泡料粘度、溫度等因素的影響而偏離1：1。這可從機(jī)器自由泡與手工自由泡密度的差別粗略看出。以手工自由泡密度作為基準(zhǔn)，當(dāng)機(jī)器自由泡密度低于手工自由泡時(shí)，表明A料（組合聚醚）過(guò)量。這種泡沫顏色白，強(qiáng)度低，手感軟，氣溫低時(shí)容易收縮。當(dāng)機(jī)器自由泡密度高于手工自由泡時(shí)，表明B料（異氰酸酯）過(guò)量。這種泡沫顏色深，強(qiáng)度高，手感硬而脆。這些情況下應(yīng)立即設(shè)法核對(duì)料比，查看過(guò)濾器是否堵塞，壓力、溫度指示是否正常，確保A、B料比例的準(zhǔn)確性。

　　對(duì)于低壓澆注機(jī)由于其壓力低，只有5~7kg/m3，當(dāng)壓縮空氣的壓力波動(dòng)到下*或發(fā)泡料粘度略大時(shí)，都會(huì)影響混合效果，系數(shù)A、B料混合不勻，輕則泡沫顏色變深，泡孔粗大，泡沫脆性大；重則泡沫顏色不勻，出現(xiàn)不規(guī)則的花斑或花紋。這是因?yàn)榫植緼料過(guò)量（導(dǎo)致泡沫收縮），或局部B料過(guò)量造成的（導(dǎo)致泡沫易開(kāi)裂）。

　　2.4環(huán)境溫度的影響

　　聚氨酯發(fā)泡與溫度的關(guān)系很大。因?yàn)榘l(fā)泡是依靠熱量而進(jìn)行的。如果沒(méi)有熱量，體系中的發(fā)泡劑無(wú)法蒸發(fā)，不能生成泡沫塑料。熱量來(lái)自?xún)煞矫妫皇腔瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量；一是環(huán)境提供的熱量。化學(xué)反應(yīng)熱是一個(gè)定值，不隨外界因素的影響，但環(huán)境提供的熱量隨環(huán)境溫度的變化而變化。當(dāng)環(huán)境溫度高時(shí)，環(huán)境能給反應(yīng)體系提供熱量，可增加反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間。表現(xiàn)為泡沫發(fā)泡充分，泡沫表層和芯部密度接近。當(dāng)環(huán)境溫度低時(shí)（如18℃以下），部分反應(yīng)熱散發(fā)到環(huán)境中。熱量的損失，一方面造成泡沫熟化期延長(zhǎng)，增大了泡沫成型收縮率，（溫度越低，成型收縮率越高）；試驗(yàn)表明，同一發(fā)泡料，環(huán)境溫度15℃時(shí)的發(fā)泡體積比25℃的發(fā)泡體積小25%另一方面會(huì)在泡沫表面形成一層沒(méi)有充分發(fā)泡甚至不發(fā)泡的硬皮，增加了泡沫灌注量，提高了泡沫生產(chǎn)成本。。

　　2.5外殼的材質(zhì)和厚度因素

　　外殼的厚度和強(qiáng)度對(duì)泡沫的收縮也有一定影響，一般在相同條件下，厚度越厚，強(qiáng)度越高，泡沫的收縮率越小。常見(jiàn)的外殼材料有不銹鋼、彩鋼板和壓花鋁等。壓花鋁因?qū)嵯禂?shù)大造成泡沫收縮率很大，逐步被淘汰。

　　3建議的發(fā)泡工藝條件

　　根據(jù)國(guó)內(nèi)目前的現(xiàn)狀，從組合聚醚的工藝性能和泡沫性能兩方面考慮，我們認(rèn)為太陽(yáng)能熱水器的發(fā)泡工藝應(yīng)具備以下條件：

　　3.1溫度條件

　　環(huán)境溫度：以20℃~35℃為宜；A、B料溫度：高壓發(fā)泡機(jī)20±2℃，低壓機(jī)40±5℃。

　　3.2模具（夾具）要求

　　發(fā)泡過(guò)程中，如何保持水箱外桶不變形、內(nèi)桶不偏心歷來(lái)是個(gè)受人關(guān)注的問(wèn)題，模具是一個(gè)很重要的因素。聚氨酯在發(fā)泡過(guò)程中產(chǎn)生的壓力為0.5~1.0kg/cm2，水箱在承受發(fā)泡壓力時(shí)，易發(fā)生變形，這需要有內(nèi)外模具來(lái)承載壓力，同時(shí)模具應(yīng)具備足夠的強(qiáng)度模具溫度應(yīng)控制在40±5℃，以便泡沫迅速熟化，將成型收縮率降至小。另外根據(jù)太陽(yáng)熱水器構(gòu)造的實(shí)際情況，可向內(nèi)桶充入壓縮空氣使內(nèi)桶承載一定的壓力。

　　3.3發(fā)泡設(shè)備

　　*淘汰原始的手工發(fā)泡方式，改用澆注機(jī)發(fā)泡，有條件的廠家可用高壓澆注機(jī)，流量必須在500g/s以上。聚氨酯發(fā)泡時(shí)，A料和B料在發(fā)泡機(jī)混合室內(nèi)停留的時(shí)間是很短的，一般只有幾分之一秒至幾秒，混合效率是一個(gè)很重要的因素。

　　3.4模壓泡充填

　　解決泡沫收縮問(wèn)題的佳方案應(yīng)是采用模壓泡填充，將目前普遍采用的多次澆注自由發(fā)泡改為一次澆注過(guò)量填充，過(guò)填充率一般為10%~15%，確保在泡沫凝膠之前填滿，*消除凝膠之后形成的不良泡沫。

　　3.5開(kāi)模時(shí)間

　　溫度是影響熱水器開(kāi)模時(shí)間的重要因素，它包括環(huán)境溫度和模具溫度。溫度高，開(kāi)模時(shí)間短。太陽(yáng)熱水器發(fā)泡后一般12min左右開(kāi)模，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程可根據(jù)溫度、過(guò)填充量、保溫層厚度適當(dāng)延長(zhǎng)或縮短開(kāi)模時(shí)間。

　　3.6熟化

　　仿效冰箱冰柜的做法，發(fā)泡料澆注后，將桶體移到40℃~60℃的加熱烘道中，在較高的環(huán)境溫度下快速完成熟化過(guò)程，促使泡沫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定減小收縮發(fā)生的機(jī)會(huì)。如果沒(méi)有條件，開(kāi)模后的桶體應(yīng)在溫度25℃以上的環(huán)境中進(jìn)行熟化8小時(shí)以上，然后移至溫度較低的地方（如成品庫(kù)）。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量和泡沫性能，建議各生產(chǎn)廠家建立太陽(yáng)能熟化區(qū)。