CN1073007C - 垂直生成发泡聚氨酯块料的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了连续生产预膨胀的聚氨酯泡沫块料的方法和设备。在加压下混合反应性聚氨酯组分和液态低沸点发泡剂，通过使混合物连续流入发泡装置(10)中开始发泡，该发泡装置包含一个压力均化室(13)和一个沿流动方向轴向延伸的降压区(17，31，32)，混合物进入向上延伸且向上分散的膨胀室(20)底部的发泡腔(19)中，该膨胀室装备有用于取出膨胀泡沫的移动壁装置(22)。

Description

垂直生成发泡聚氨酯块料的方法和设备

本发明涉及以新颖和便利的方式使用发泡装置的创新原理连续生产聚氨酯泡沫块料的方法和设备，所述发泡装置为以前的欧洲专利申请EPA0645226的主题。

在柔性和刚性聚氨酯泡沫块料的连续生产中，通常使用水平延伸的设备，所述设备的特征是总体尺寸大且日产量高，因为标准的聚氨酯发泡法一般要求输送机的移动速度高且因此要求泡沫的聚合路径长，以避免发生不希望有的现象，从而使仍处于液态的混合物流回膨胀的聚氨酯泡沫之下或流入初始的聚合相中；此类传统设备例如描述于US-A-3325823和US-A-3786122中。

为了克服这一缺点并达到提供具有更小尺寸和更小生产量以使结果更好且使用更经济的设备的目的，欧洲专利申请EP-A0645226提出了连续生产聚氨酯泡沫块料的一种特殊的发泡方法和一个系统，它们使用一种特殊的发泡装置，借此可以使反应性聚氨酯组分与一种低沸点发泡剂、特别是CO₂或某些其它的化学惰性发泡剂，在压力控制条件下混合，以使发泡剂在发生发泡前保持在液态。具体来说，根据该文献，聚氨酯混合物的发泡通过一种连续方法来完成，该方法包括如下步骤：制备反应性聚氨酯组分与液态低沸点发泡剂的混合物；将所产生的混合物供入均压室中并将所述混合物分配到沿该混合物的流动方向轴向延伸的扩大的降压区中，以在所述降压区的上游提供反压力，从而使发泡剂处于液态；和通过逐渐释放压力和混合物中的发泡剂而开始发泡，同时使所述混合物流过所述降压区并进入一横卧装置的发泡腔中，从而将泡沫分配到一个水平移动的基底上。

在过去，还提出过用于连续生产基于常规含水配方的聚氨酯泡沫的机器，其中以较低速度和生产量生产和拉起聚氨酯泡沫，以减小整个设备总体尺寸。其实例可以在很多现有文献中找到，例如法国专利申请2023961或欧洲专利申请EP-A-0058553。在所提出的各种方案中没有几种用于实践中。

具体来说，在法国专利申请FR-A-2023961和欧洲专利申请EP-A-0058553中，由常规混合装置得到的聚氨酯混合物以液态供入发泡空间底部，在这里混合物因聚氨酯组分和水之间的化学反应所产生的气体而膨胀，并在拉起时聚合；发泡空间的高度和发泡聚氨酯材料被拉起的速度以及整个聚合路径的长度取决于混合和发泡条件。

一般来说，在这些现有文献提出的用于传统聚氨酯混合物的方法和设备中，泡沫的膨胀仅仅是由于水和异氰酸酯间的化学反应所产生的二氧化碳的作用来完成的。因此，泡沫达到完全膨胀和聚合所要求的发泡空间的高度仍然不希望地过大；而且聚氨酯材料和设备本身的特征主要取决于所用技术。特别是，在上升步骤开始时应小心地降低发泡体上的压力，以避免对泡孔的结构产生任何不利影响，因为聚氨酯组分间的化学反应的发泡因许多不可控制或可变因素而在速率上发生变化。因此，这些文献均未暗示或提出适于该发泡技术在连续生产聚氨酯泡沫块料中的方法和装置。

根据试验测试，现在业已发现通过在从上部生成发泡聚氨酯块料的方法中适当应用发泡技术，有可能改进泡沫结构以及降低设备的总体尺寸并简化该设备，因为膨胀在混合物向上发泡过程中和化学反应开始之前发生；因此压力在膨胀块中的不利影响不大严重，且显著降低。

因此，本发明的一个目的是提供连续生产聚氨酯泡沫块料的方法和设备，它们方便地使用发泡技术和一种特殊的泡沫膨胀装置，该装置设计成可以在加压下混合聚氨酯组分和液态惰性发泡剂并控制发泡剂的释放，通过保持适于促进该混合物发泡的条件来避免发泡剂的湍性蒸发，从而使泡沫的受控膨胀在较小的空间发生。

根据本发明的第一方面，提供了一种连续生产聚氨酯泡沫块料的方法，它包括如下步骤：制备反应性聚氨酯组分和液态低沸点发泡剂的混合物；将所产生的混合物供入均压室中并将所述混合物分配到沿该混合物的流动方向轴向延伸的扩大的降压区中，以在所述降压区的上游提供反压力，从而使发泡剂处于液态。然后通过逐渐释放压力和混合物中的发泡剂而开始发泡，同时使所述混合物流过降压区并进入一发泡腔中，该混合物借助发泡剂在从发泡腔向上延伸的顶部敞开的膨胀室内发泡成为逐渐膨胀的聚氨酯材料；以及随后从所述膨胀室向上取出膨胀材料，同时仍然进行发泡并在聚氨酯组分间发生化学反应。

根据本发明的第二方面，提供了一种适于连续生产聚氨酯泡沫块料的设备。该设备包括一个用于在压力受控条件下混合聚氨酯化学成分和液态发泡剂如CO₂的混合装置。该混合装置通过供料管线与一发泡装置相连，发泡装置包括一个通向沿流动方向轴向延伸的降压区的混合物分配和压力均化室，以在该压力均化室内提供反压力使发泡剂处于液态，并逐渐将发泡剂释放到发泡腔中的聚氨酯混合物中。该设备还组合地含一具有向上延伸的壁的顶部敞开的膨胀室；一个位于发泡装置的降压区和膨胀室装置底部的分散部之间的发泡腔；和一个向上延伸的泡沫取出系统，该系统包含在向上延伸的壁上滑动并与膨胀室内部的发泡材料一起移动的片状材料。

下面将参照附图更详细地说明本发明的方法和设备，其中：

图1是通过本发明设备的纵向剖视图；

图2是该设备沿垂直于图1的平面的纵向剖视图；

图3是图1的发泡装置以更大的尺寸表示的截面透视图；

图4是一种改进的发泡装置的截面视图；

图5-8说明用于图1的设备的发泡装置的降压区的不同实施方案。

本发明基于发泡技术在向上连续生产聚氨酯泡沫块料中的方便使用。此类块料产品借助本发明申请人所研制并描述于现有的欧洲专利申请EP-A-0645226中的发泡装置(该装置业已用于聚氨酯泡沫块料的向上生产中)而产生，以改进发泡条件，从而使混合物的发泡在聚氨酯泡沫从膨胀室底部以低速移动和拉起时以与气态发泡剂的释放相同的方向在所有处于极狭小空间内的发泡材料内部发生；这样，与传统的相比不仅改进了发泡条件和泡沫的膨胀，而且还可减少整个发泡设备的高度尺寸。

如图1和图2所示，该设备主要包括一个设在一膨胀室底部的发泡装置10，该膨胀室包括一个用于聚氨酯泡沫12的路径11，它垂直延伸且聚合反应在其中发生。

所示实例中的发泡装置10包含一管形分配棒13，该管形分配棒13包括一个经导管15与任意合适类型的混合装置16的出口相连的纵向室14，其中化学活性聚氨酯组分，如多元醇和异氰酸酯与任何添加剂一起和液态的惰性低沸点发泡剂如液态CO₂在压力受控条件下于混合装置16中混合。随后，发泡剂以气体形式释放，在聚氨酯组分间发生化学反应和泡沫材料聚合之前引起发泡和聚氨酯混合物的膨胀。

管状棒13的纵向室14经过一个沿流动方向轴向延伸的降压区17通向发泡腔19。该室14的作用是均化压力并将混合物均匀分配到降压区17上，在所示实例中基本分配到待生产的聚氨酯材料块的整个宽度上。

具体来说，如图1和图3的放大视图所示，发泡装置的分配棒13的一侧具有一个狭窄的纵向槽形的降压区17，它伸入一个通向一个向上的发泡腔19的短水平导管18中。该腔19具有一个伸入如图1所示的顶部敞开的膨胀室底的漏斗型部分19A，该膨胀室具有从发泡腔的分散部分19A向上延伸的向上分散侧壁20。

如上所述，发泡腔的分散部分19A部分穿入限定侧壁26的底部的侧壁20之间并提供进入垂直延伸的顶部敞开的膨胀室的入口，在膨胀材料从底部向上拉起而移动的同时，在发泡腔中以受控方式发生聚氨酯混合物的发泡和膨胀。

具体来说，泡沫聚合的膨胀室和路径11在各侧上由移动表面限定，该移动表面随泡沫移到上端切割区21而同时移动且横向含有聚氨酯泡沫12。

如图1和2所示，与聚氨酯泡沫同时移动的各移动表面由条形片材22(如纸条或塑料膜)限定，该片材从下辊23解开，再卷绕到上辊24上。辊23和24适当地用机械传动和控制，以使各单个的材料条22的速度对应于聚氨酯泡沫12的被拉起或上移的速度。在发泡步骤中条状材料22也含有发泡混合物。

因此，聚氨酯泡沫12的向上拉起必须以与混合物在发泡腔19、19A和膨胀室内部膨胀和上升的速度相关的速度进行。这一向上拉起通过借助至少两个如图2所示安装在路径11的两对侧上的运输带25来完成。硬侧壁26装在另外两侧，各壁26沿路径11从壁20的顶缘向上延伸的空间应足以使聚氨酯泡沫12在聚合过程中的尺寸和结构稳定。

如图所示，聚氨酯泡沫12被向上拉起超出用于再卷绕条22的辊24，拉向该设备的顶部和一横向切割装置21，在此被切成膨胀聚氨酯泡沫的单个块料27并从该设备顶部取出这些块料。

图3以更大尺寸说明构成该设备的主要部分的发泡装置10的第一实施方案的截面透视图。

从图3中可看出，一细长槽限定了一降压区。该槽由基本上沿流动方向延伸的平行平表面所限定。限定降压区17的另一槽，安装或设置在平行于发泡腔19和向上延伸的聚合路径11的纵向轴并与该纵向轴呈一定距离横向延伸的平面内。槽17在流动方向上的长度和厚度必须使得在发泡装置的室14和混合装置16内部产生足以使发泡剂处于液态的反压力。仅仅通过实施例，限定降压区的槽17在垂直于流动方向上可具有0.1-1毫米的开口厚度，在流动方向上的长度为约10-30毫米，而在膨胀室20的横穿机器方向的宽度例如约为2米，且该宽度总是等于同一平面内聚氨酯材料12的宽度。

通常，降压区17的形状，横截面积和几何尺寸取决于几个参数。更具体地说，在图3情况下，可由下式计算出限定降压区17的槽的几何特征，从而得到在其上游，即在发泡装置10的压力均化室14中适于使发泡剂处于液态的压力P，例如5巴或更高的压力，并以显著低于临界值或雷诺数的流速，例如以约5-10米/秒的流速给该槽提供层流和所需的剪切条件： $P=\frac{Q}{L}\·\frac{l}{S^3}K$ 其中P=发泡装置的压力均化室14中的压力(巴)；

Q=流量(升/分)

L=槽在室14的纵向上的大小(毫米)；

l=在流动方向上槽的长度(毫米)；

S=槽的高度或厚度(毫米)

K=0.03-1.2，取决于由试验测试而得的化学组分的粘度和比重。

在图1和3中，限定降压区的槽17安置在平行于垂直路径11的轴的平面内；然而，它还可以有不同的取向或与所述平面形成任意角度。

再从图3可以看出，限定降压区的槽17通向发泡腔的一个第一水平导管18中，该发泡腔由所述分配棒13，相对于限定降压区17的槽而往后缩的侧壁28和从后面延伸至超出上述槽的水平上壁29限定。

发泡腔19的向上部分又由优选形成分配棒13上表面的延伸部的底壁30以及分散侧壁19A和端壁19B所限定。

重要的是应注意，壁19A和19B伸入膨胀室20底部，而膨胀室20向上延伸的距离应足以使聚氨酯混合物在聚氨酯组分还未相互发生化学反应时在以气态逐步释放的CO₂或发泡剂作用下完全膨胀。因为聚氨酯混合物因CO₂的释放而立即发泡，而且假定出现填充腔19的稠膏，泡沫将以与聚氨酯材料12的垂直取出相同的方向均匀膨胀。在聚氨酯泡沫中得到的多孔结构细且均匀，没有大气泡或孔穴。这一发泡和膨胀在较小的膨胀空间内以很低的取出速度完成。

因此，与聚氨酯泡沫12一起在其上移过程移动的条状材料22的速度和运输带25的速度必须与发泡时聚氨酯泡沫的膨胀速度适当相关联。这些速度必须基本保持恒定，以避免形成因存在孔穴而具有太高密度或缺乏均匀性的聚氨酯泡沫。

因此，该设备的各移动部件的工作条件必须适当相互关联，经由合适的调整和控制装置(未示出)保持各速度恒定和最佳，按照发泡过程中估算的聚氨酯泡沫的膨胀速度和上升速度通过适当测试确定各种情况下的最适合的速度。

使用根据用于生产横向矩形截面为2X1.2米的发泡聚氨酯材料的块料的图1和2所示实例的设备进行测试。该设备向高度方向延伸的距离约为5米，这包括用于切割和除去块料的上部区域。该设备装有两个以0.9米/分钟的恒定速度操作的输送机25。泡沫的发泡和膨胀沿着约1米的垂直截面完成，对应的时间约为1.2分钟；分配棒13具有一厚度为0.5毫米的槽且由沿流动方向延伸30毫米的平行壁限定。

还可用牛皮纸条来限定与聚氨酯泡沫12一起沿聚合路径11移动的移动表面22。

使用以三种组成部分配制的聚氨酯混合物。

                      A部分流量                          24千克/分钟聚醚多元醇(分子量3500)        100.00水                            2.50氨类催化剂                    0.10硅氧烷                        1.20

                      B部分流量                          12.5千克/分钟80:20TDI                      55.00

                      C部分流量                          0.05千克/分钟辛酸亚锡基催化剂              0.22

上述量以占多元醇的重量份数定义。

聚氨酯混合物的A部分还用一定量的液态二氧化碳饱和，其量应足以在储存箱内部达到约10巴的压力。

在启动该设备并确定输送带的最佳速度之后，聚氨酯混合物有规律地发泡，随着输送机25的牵引继续沿聚合路径11向上运动而在膨胀室20端部完成其膨胀。

在其向上运动结束后，聚合的聚氨酯材料被切割成约1.5米高的块，得到密度均匀的聚氨酯泡沫，该密度的测定值为15千克/米³。

泡孔的结构精细且均匀，不含任何大尺寸的空隙或气泡，因而证明具有商业上可接受的品质。

重复几次测试，都显著达到了表明可由本发明的方法和设备获得的主要优点的相似结果。

图4说明发泡装置的一种可能改型，在某些情况下它能改善该设备的操作和聚氨酯泡沫的特征。在图4中使用与前面各图相同的参考号数来表示相似或等同部件。

图4所示设备与图3所示设备的不同主要归于以下事实。关闭导管18底端的壁28这时形成限定降压区17的槽的侧表面的延伸部分。这些表面的连贯能减少气穴现象(该现象使从分配棒13的限定降压区17的槽出现的聚氨酯混合物发生湍流)，这样就改善了发泡和聚氨酯泡沫的质量。

如上所述，在图1-4的实例中的降压区17的形式是沿混合物流动方向延伸的限制槽，而且该槽用作进入发泡装置的压力均化室14的长度。

图5示意地表示面向槽17的出口的分配棒13的正视图。其余的图6、7和8为相似的图，用于说明限定降压区的开口的不同方案和不同形状。

在图6中，降压区例如由四组并排排列、沿棒13的纵向延伸的短槽31限定。相反，图7说明在棒13中横向排列的槽31，而图8说明装有具有圆形截面的一组圆孔的降压区。尽管棒13的矩形形状和降压区的槽构型提供了较好结果，但发泡装置的室14和降压区的不同形状及开口的不同形状和排列均在本发明范围内。

从上述描述和说明可以清楚看出，本发明涉及一种用于连续生产硬或软聚氨酯泡沫块料的垂直设备的新组合，使用的装置能使初始发泡阶段在化学反生之前进行并使泡沫向上方移动，从而改善整个方法和发泡材料的质量。

Claims (12)

1．一种连续生产聚氨酯泡沫块料的方法，它包括如下步骤：制备反应性聚氨酯组分和液态二氧化碳发泡剂的混合物；将所述混合物送入压力均化室(13)中并分配该混合物使之在沿混合物流动方向延伸的扩大的降压区(17,31,32)上流动，从而在该降压区(17,31,32)上游提供反压力使发泡剂处于液态；通过逐步释放压力和混合物中的发泡剂而开始混合物的发泡，同时使混合物流过降压区(17,31,32)并进入发泡腔(19)中，其特征在于发泡混合物因发泡剂而逐步膨胀；使该聚氨酯组分在从该发泡腔(19)向上延伸的顶部敞开的膨胀室(20)内部反应；和从膨胀室(20)底部向上拉起膨胀材料，同时进行发泡并在聚氨酯组分间发生化学反应。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于它还包括如下一额外步骤：使发泡混合物横向转移到所述发泡腔(19)的向上分散部分(19A)。

3．一种适于连续生产聚氨酯泡沫块料的设备，它包括一个用于在压力受控条件下混合聚氨酯化学组分和液态二氧化碳发泡剂的混合装置(16)，它通过一个所产生的聚氨酯混合物沿其移动的供料管(15)与一发泡装置(10)相连，所述发泡装置(10)包括一个通向沿聚氨酯混合物流动方向延伸的降压区(17,31,32)的混合物分配和压力均化室(13)，以在所述压力均化室(13)中提供反压力使发泡剂处于液态，并逐渐将发泡剂释放到泡腔(19,19A)内部的聚氨酯混合物中，其特征在于所述设备还包括一个由向上延伸的侧壁限定的顶部敞开的膨胀室(20)；所述发泡腔(19,19A)装设在该发泡装置(10)的所述降压区(17,31,32)和所述膨胀室(20)底部的分散部分之间；和一个泡沫取出系统(22,25)，该系统包含与所述膨胀室内部的发泡材料一起在至少一对相对的所述侧壁(20,26)上移动的片材(22)。

4．根据权利要求3的一种设备，其中所述降压区为从所述压力均化室(13)纵向延伸的槽式开口(17)。

5．根据权利要求4的一种设备，其中所述槽式开口在平行于所述膨胀室的纵轴的平面内横向延伸。

6．根据权利要求4的一种设备，它还包括一个在所述发泡腔(19)中的导引面(28)，该面从所述槽式开口的一侧向外延伸。

7．根据权利要求3的一种设备，其中所述降压区包含许多降压开口(31,32)。

8．根据权利要求7的一种设备，其中所述降压开口至少包含一组沿所述压力均化室(13)的至少一部分设置的并排相间隔的降压槽(31)。

9．根据权利要求8的一种设备，其特征在于所述降压开口沿平行于所述压力均化室(13)的轴向方向延伸。

10．根据权利要求8的一种设备，其特征在于所述降压开口沿横截所述压力均化室(13)的轴向的方向延伸。

11．根据权利要求3的一种设备，其特征在于所述降压区至少包含一套并排相间隔的圆孔(32)。

12．根据权利要求3的一种设备，其特征在于所述压力均化和混合物分配室(13)及所述降压区(17)在所述发泡腔的至少一个横截方向延伸。

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