太阳能热水器发泡常见问题及解决方案

阳能热水器是充分利用太阳能源提供热水的产品，以其清洁安全、使用方便、无能耗等优点，愈来愈受到人们的青睐。太阳能热水器多采用清华大学专利产品——真空集热管，吸热率达93%，热水器水箱内胆采用不锈钢板，外壳则为防锈铝或不锈钢。填充于内胆和外壳之间的保温层一般分半发泡和全发泡两种。所谓“半发泡”是指保温材料一部分（20-30mm厚）为聚苯乙烯泡沫，一部分（20-30mm厚）为聚氨酯硬泡；“全发泡”则是指保温层全部采用聚氨酯硬泡，厚度多为50mm。太阳能热水器保温性能良好，即使在冬季，天气晴朗时，依旧能提供热水满足人们的洗浴要求。 太阳能热水器是九十年代才问世的新产品，因其生产工艺简单，投资小，利润高，属于短平快项目，适合乡镇、个体企业接产。短短几年时间，生产厂家在神州大地可谓遍地开花，不下千余家，在阴雨天较少的长江以北地区尤为集中。年生产能力从数万台至几百台不等。但由于各生产厂家的生产工艺、人员素质等诸方面的原因，以及聚氨酯本身的局限性，在聚氨酯发泡过程中，或多或少地都会遇到一些问题。本文试图系统地从诸多方面作详尽分析，并力求提出一些解决方案，以期对热水器生产和组合聚醚营销有所帮助。
一、 太阳能热水器生产厂家现状 按照发泡工艺，太阳能热水器生产厂家大体可分为两种类型：一类为手工浇注型，一类为机器浇注型。 一般年产量在3000台以下者，多为手工浇注生产。这些厂家工艺条件简单，仅有一个固定内胆和外壳的所谓“模具”。而混合方式，条件好的多用转速在1200转/分的手电钻或台钻；条件差的只用一根木棍或类似工具。这些厂家取黑白料时不称量，一般用两只容积相等的容器量取。操作工基本上都不经过正规培训，看几眼就上岗操作。这些厂家生产时人为的因素影响较大，黑白料的配比是否准确，混合是否均匀，都掌握在他们手中。这种厂如果不在管理、质量和人员素质上下工夫，必将在大浪淘沙般的市场竞争中，逐渐销声匿迹。 规模较大的生产厂采用机器浇注，其优势是：生产效率高，不浪费料，降低劳动强度，改善工作环境。这种厂家也可分为两类，一类是高压浇注型，一类为低压浇注型。所谓的“高压机”，绝非象冰箱冰柜厂的高压机那样理想，一般最高压力不超过5MPa，压力一般控制在0.5~2Mpa，流量为6Kg/min，温度控制在35-40℃，料比不可测，温度只能控制在室温以上。车间操作工人极少对机器压力尤其是流量进行调整，只靠升高或降低温度来满足他们对生产效率的要求。至于配比是否正确，混合是否均匀，则不在他们的考虑之列，主要是因为他们并不了解发泡条件与泡沫性能之间的关系。 大多数生产厂用的是以前仅用于聚氨酯包装泡沫的低压机，常见的机型是北京电子研究中心、上海郁慧、浙江乐清等地生产的，价格多在三万元左右。这种机器的特点是： l 有二个温度控制器，分别控制白料和黑料的温度，对温度分几档调整，每档为5℃。 l 输出压力不能调整，且压力随空压机输出压力的波动（4~7kg/m3）而变化。 l 通过升高或降低温度来分别降低或升高粘度从而对流量和料比进行粗调。 因为压力较低，混合效果不理想，料比不可测，生成的泡沫软，泡孔粗大，甚至呈现局部白局部黑的现象。操作工有时放弃机器浇注而改用手工搅拌浇注。采用机器浇注的生产厂规模较大，产量较高，在市场上有一定影响，他们对生产效率和泡沫质量要求较高，如对泡沫强度、泡孔细密程度、泡沫收缩率等有较严格的要求。一方面是简陋的机器和工艺，一方面是对质量近乎苛刻的要求，这之间的矛盾是显而易见的。
二、常见问题及其解决方案
1、 收缩
太阳能热水器的泡沫收缩是生产厂家最为关注的焦点问题，根据成因可分为下列两种类型
1.1因聚氨酯泡沫自身特性而形成的收缩不可避免 太阳能热水器的聚氨酯保温完全是敞开式的自由发泡，除受大气压作用外，不受其他任何压力的作用，所以填充密度实际就是自由泡密度。而聚氨酯泡沫要求欲填充空间在凝胶时间之前完全填满，凝胶时间之后，虽然泡沫体积仍在继续膨胀，但凝胶之后形成的泡沫，泡孔明显拉长，其物理机械性能很差（多次浇注的发泡方式使得这种不良泡沫所占比例增大）。一般来说，凝胶时间的90%被认为是填充时间的上限。而太阳能热水器的发泡工艺对凝胶之后的体积膨胀无法控制，这就导致泡沫从发泡成型时的最高温度（约130—150℃），慢慢降至室温过程中发生了不可避免的收缩。这是自然万物热胀冷缩的特性在聚氨酯硬泡上的表现，模压泡也有轻微收缩就是明证。本文称之为“正常收缩”，这部分的收缩较小。而自由发泡带来的不良泡沫使得该特性表现得尤为突出，这部分的收缩较大。解决这一问题只能通过改进发泡工艺来适应PU的这一特性。而太阳能发泡工艺的现实情况，决定了这一问题在今后的一段时间内依旧会长期存在。
1.2所谓“脱皮”、“脱壳”、“抽出一条脊梁骨”等都是因为泡沫收缩引起的，除由于PU自身的特性引起收缩外，以下几点也能加大泡沫收缩的程度。
（l） 泡沫密度低 如自由泡密度低于28Kg/m3,制品泡沫芯密度低于32 Kg/m3。
（2） 料比偏差大 绝大多数机器的固定料比为1：1，因各厂家白料的粘度相去甚远，造成实际料比与机器固定料比不符，这可从机器泡与手工泡密度的差别粗略看出。当白料过量时表现为泡沫密度低，颜色发白，泡沫强度下降，手感软，气温低时尤其容易收缩。当黑料过量时，泡沫密度高，颜色深，泡沫强度高，手感硬而脆。这时应立即设法核对料比、过滤器是否堵塞、压力温度指示是否正常，确保黑白料比例的正确性。
（3）黑白料混合不匀，轻则泡沫颜色变深，泡孔粗大，重则泡沫颜色不匀，出现不规则的花斑或花纹。这是因为局部白料过量（导致泡沫收缩），局部黑料过量造成的。出现这种情况时，手工浇注的应尽量避免采用人工搅拌，建议使用转速大于1200转/分的电钻搅拌；机器浇注应立即检查混合头工作是否正常，压力指示是否稳定。
（4）发泡车间环境温度低，发泡反应最适宜温度为20—25℃。应尽量保证发泡车间室温在15℃以上，而且在发泡后的制品应在室内（冬季有高温熟化区更佳）停留一段时间，待泡沫熟化后再移至气温较低的仓库。
（5）外壳的材质和厚度也是关键因素。不锈钢比防锈铝收缩小，钢板厚度≥0.4mm时，泡沫密度对收缩问题影响不明显；钢板厚度≤0.3mm时，自由泡密度应大于33 Kg/m3；钢板厚度在0.3-0.4mm之间，自由泡密度应高于30 Kg/m3。总之钢板材料越厚，收缩越小。
可供参考的一些解决方法
（l） 在水箱外壳内壁（一般在安装集热管的另一侧）涂抹黄油作脱模剂，让泡沫与外壳自然脱开（并且脱开的位置发生在不引人注意的背面），以免泡沫收缩时将外壳一起抽进去，形成一道大煞风景的“脊梁骨”。
（2） 在水箱内胆的外皮上涂抹黄油或粘贴塑料薄膜，让PU泡沫收缩时同内胆自然分离，从外表来看，收缩率有明显的降低。这是到目前为止减少表面收缩的最好的办法。
这仅仅是些表面文章，要彻底解决问题并不这么简单，需要从工艺上作很大的改进。
（4） 将夹具改为模具。
（5） 内胆要加厚，如搪玻璃碳钢内胆，使之能承受较高的发泡压力。
（6） 采用一次发泡工艺，过量填充，彻底消除拉丝后形成的不良泡沫。
2、 穿孔
割开或掰开泡沫，可以看到一些分布不均的小如豆粒、大如鱼漂的长泡孔，俗称“穿孔”。穿孔普遍存在于泡沫之中，机器泡、模压泡中少一些，手工泡、自由泡中比较多；缓慢形成的泡沫中少一些，快速形成的泡沫中多一些，严重者可长达10mm。
穿孔的主要成因有两个：
（1）混合时卷进空气，因发泡液粘度增长快，空气来不及逃走，沿发泡方向形成拉长的泡孔；
（2）“氟利昂空洞”，发泡过程中发泡剂受热汽化，一部分挥发到空气中损失了，一部分封闭在泡孔中，还有少部分氟利昂合在一起，形成了“氟利昂空洞”，表现为穿孔现象。泡沫中的穿孔又称“泡沫癌症”，是PU泡沫又一无法彻底解决的问题，但可通过改用机器浇注缓解。
3．挤扁内胆
原因分析
（l） 密度大，发泡压力相应增加。
（2） 后期固化速度快，短时间内积聚力量大。组合聚醚中含三聚催化剂时此现象尤为明显。
（3）注料不均匀。每次浇注的泡沫不在同一平面上起发，致使发泡压力分布不均匀。 (4) 水箱内胆材质薄或厚度分布不均匀，不能承受较大的发泡压力。
解决方法
(l) 适当减缓固化速度，提高发泡液的流平性，使之能够均匀地铺平在待发泡空间的底面上，使水箱内胆圆周面承受均匀的发泡压力。
(2) 增加水箱内胆的厚度（安全厚度至少在0.3mm以上）。
（3）改一次浇注为多次浇注（具体次数视机型和流量而定），可降低发泡压力。
4、泡沫开裂
此现象一般在冬季发生。造成该问题的原因有：
（l） 发泡液凝胶以后生成的泡沫泡孔被拉长，物理机械性能恶化，缺乏足够的尺寸稳定性，低温下严重收缩，甚至开裂。
（2） 泡沫内外温差太大，尤其在冬季，泡沫外层已经固化，内层仍在起发而引起胀裂。当发泡液反应时间过快、密度偏大时此现象更易发生。应适时调整配方，延长固化时间（可延长散热时间，降低泡沫内部温度），增大交链度。并且发泡车间的环境温度应保证在最低温度要求之上。
5、其它常见问题及解决方法
（1） 起发速度慢 一般出现在秋冬季节或早晨生产时，因气温太低所致。将环境温度或黑料温度升高即可。
（2） 起发速度快 一般出现在春夏季节或中午生产，因气温太高所致。可将黑白料用冷水冷却，存放时放置阴凉处，避免阳光直晒。
（3） 泡沫发软 密度偏低或黑白料比例失调所致。前者应增加密度，后者在纠正料比后自然会得到解决。
（4） 泡孔粗大且泡沫脆 是因为黑白料混合不均匀引起。手工浇注的，可采用转速高于1200转/分的手电钻或电机安装搅拌头搅拌；机器浇注的，应立即检查混合头工作是否正常，压力指示是否稳定，通过对其调整而得以解决。