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采用环境友好的变压发泡工艺生产聚氨酯泡沫塑料

ChiuY.ChanBeatB.NiederoestWilliamBundy
(美国FoamexInternational公司)

摘要：变压发泡(VPF)工艺是具有长期生命力的新一代泡沫生产技术，该工艺具有许多优点，首先是在生产低密度泡沫塑料时不需要辅助发泡剂，该工艺中气体在排到大气前通过碳床处理，所以保护环境和操作人员。根据配方的优点，可不受配方水用量的约束，制造密度和硬度范围很宽的泡沫塑料。可生产超软泡沫，没有火灾和泡沫烧芯的危险。另一方面，用于包装的超高承载泡沫已经被制造，缓冲垫材特性优于常规的泡沫。工业化实践证明，典型的VPF泡沫塑料具有高度均匀性和优异的产品耐久性。VPF独特地将环境友好、优异产品均匀性和优良泡沫性能结合起来。VPF技术除了给我们可靠的工艺，以满足日益严格的环境法规，还给我们提供了新产品开发平台。很明显它是21世纪首选的发泡工艺。
关键词：聚氨酯；软质泡沫塑料；变压发泡；发泡工艺

1概述
在聚氨酯泡沫塑料生产中，辅助发泡剂通常用于降低泡沫密度。在过去30年中，由于生产商经常受到降低制品成本和重量的商业压力，泡沫密度一直在稳定地降低。
尽管CFC发泡剂从20世纪30年代就开始被使用，但在80年代才被确定是主要的臭氧消耗物质(ODS)。1987年签订了蒙特利尔协议书，通过开发化学替代物和替代生产工艺，降低ODS生产和消费量。特别一提的是，在聚氨酯泡沫塑料生产中，CFC的使用被严格限制，最终在美国被禁止，许多生产商转用非CFC的替代物。特别是在90年代，二氯甲烷成为流行的辅助发泡剂。
在美国，当二氯甲烷被确认是一种可疑致癌物，被美国环保署归类为一种有害的空气污染物(HAP)之后，它被限制使用。在2001年10月，当美国环保署执行有害的空气污染物排放国家标准时，二氯甲烷的使用受到许多详细审查。最终，当美国职业安全和健康署(OSHA)把工作场所二氯甲烷空气浓度水平从500ppm降低到25ppm，泡沫生产商不得不转用替代发泡剂。
当上述这些政府法规开始限制某些辅助发泡剂的使用时，聚氨酯泡沫生产商的压力更大。许多泡沫生产商花费大量的精力开发新的发泡剂，但是人们发现新的发泡剂本身也存在着环保和操作上的问题。回顾历史，我们会发现许多例子。在CFC和三氯乙烷被限制时，泡沫生产商匆忙用二氯甲烷取代之；而当人们发现二氯甲烷对人体健康有影响时，丙酮和戊烷发泡剂变得普遍，但是它们的燃烧性和VOC散发问题影响到其长期生存能力。最近，二氧化碳发泡变得普遍，但人们可能担心是否因为其温室效应，在某一天被限制。
水是聚氨酯的天然发泡剂，在没有辅助发泡剂存在下，生产者通过提高水的用量来降低泡沫密度。高水量导致泡沫的质量和耐久性变差，这将在后文解释。采用高水配方，有大量的脲生成，很难制得软质泡沫；并且高水用量导致高放热量，会引起泡沫生产过程中的烧芯甚至引起火灾。虽然快速冷却工艺在某种程度上减轻火灾危险性，然而需要过量的TDI，导致TDI蒸汽排放到空气中。
众所周知，在高海拔地区发泡，由于低大气压力的物理现象，可得到低密度泡沫，同样的产气量得到了更多的泡沫体积。下面将用某些原理来设计可变压力发泡工艺。本质上，低密度泡沫能够通过在负压下发泡得到，因此充分地降低了水的用量和TDI的用量。另外，VPF具有许多独特的优点。有几篇论文涉及VPF的工程原理和设计[1~4]。但是它们是在获得实质性商业化操作经验之前写的。在VPF工艺已经运营了近10年后，我们将作一份较全面的综述，把VPF泡沫耐久性和质量改进、新产品能力和环境友好性等方面的优点介绍给大家。
2工艺描述
VPF体系已在全球范围申请专利[5]。如图1所示，该系统是在一能够控制压力的密闭容器(室)内生产泡沫塑料。在发泡之前，室内的压力是固定的，但在发泡操作期间可调节。混合头在发泡室的外面，发泡原料注入该发泡室，先进入溢流槽，再进入发泡设备的降落板上。当生产出来的泡沫达到预定位置(长度)时，自动化的切割锯把泡沫块切下来，切下的泡沫块立即加速进入到压力和发泡室相同的密封过渡室。一旦泡沫块进入该压力过渡室中，与发泡室相连的气锁关闭。第2室然后与大气相通，泡沫块移出、输送到存放区。当泡沫块移出后，第1密闭室内继续重复发泡操作，第2室重新密闭，压力恢复到与第1室相同。该步骤自动重复进行，直到浇注操作停止。

图1VPF工艺图

从密闭室排出的挥发物通过活性炭床净化，再排放到大气中。图2是活性炭床的照片。

图2活性炭吸收床图3矩形截面的VPF发泡单元

3工程设计
为了把整个发泡设备包含进去，封闭室必须足够大。因此它具有很大的横截面积；根据所需要的泡沫块长度，密闭室的长度从40m到180m不等。对于一个典型的真空/压力容器，