CN1834130A - 玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料,所述泡沫塑料通过以下步骤获得:1)在:催化剂,物理或化学发泡剂,乳化剂,以及任选阻燃剂存在下,使以下两种组分接触:异氰酸酯组分,包含第一多元醇、第二多元醇和第三多元醇的多元醇组分;2)用步骤1获得的配方浸渍玻璃纤维堆,以及3)使所述配方发泡和固化,形成包含玻璃纤维堆的增强泡沫塑料块;所述增强泡沫塑料块的平均密度在115-135kg/m3之间,异氰酸酯指数在100-180之间。

Description

玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料
技术领域
本发明涉及用玻璃纤维增强的硬质聚氨酯/聚异氰脲酸酯(PUIR)泡沫塑料,涉及其生产工艺,以及涉及其作为液化气运输罐尤其是液化气油槽船用罐的绝热材料的用途。
背景技术
欧洲专利248 721和573 327特别地公开了液化气运输罐的绝热元件,所述液化气运输罐是用于液化气油槽船的,由填充了聚氨酯泡沫塑料绝热材料的胶合板箱子组合而成。所述绝热元件分布于称作第一绝热层和第二绝热层的两种绝热屏障中。这些绝热元件能赋予令人满意的热绝缘作用,但也致使需要相当长的安装时间,因为构成每个第一绝热层和第二绝热层的箱子不但要拴到罐上,而且还要互相固定在一起,以构成不同的热绝缘层。
此外,已开发出多种硬质聚氨酯(PU)泡沫塑料,用作绝热材料。对于这种用途,这种类型的材料显示出令人满意的热绝缘特性,同时保持容易操作和安装。但是,PU泡沫塑料除非被掺入到胶合板箱子中,否则并不适合用于液化气油槽船用罐的热绝缘,因为它缺乏抗压强度和拉伸强度类型的机械强度特性,所述机械强度特性是指足以抵抗罐中处于运动中的液化气的压力,或者温度的剧烈变化。
此外,这种类型的材料通常掺入了对环境相对有害的气体作为发泡剂,特别是含氯氟烃HCFC 141b,后者在欧洲自2004年1月1日起已被禁止使用。
这种类型的气体可方便地优选用烃类如戊烷或异戊烷来取代。但是后者仍然是高度易燃的气体。而且,使用这种烃类会妨碍对液化气运输罐的漏气情况进行的任何检测。
发明内容
本发明的目标是提出如下泡沫塑料,其避免了上述缺点,不但显示出良好的热绝缘特性及在热条件下(20℃)和冷条件下(-170℃)的Z向抗压强度(即泡沫塑料的厚度方向的抗压强度)形式的机械特性,而且令人满意地显示出在热条件下和冷条件下的Y向拉伸强度(即泡沫塑料的长度方向的拉伸强度)形式的机械特性,这些特性使其能够特别地用作液化气油槽船用罐的热绝缘材料。
本发明提出玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料,所述泡沫塑料通过以下步骤获得:
1)在:
·选自锡盐、羧酸钾和任选叔胺的催化剂,
·物理和/或化学发泡剂,
·乳化剂,以及
·任选阻燃剂
存在下,使以下两种组分接触:
·粘度在200-600mPa.s之间的异氰酸酯组分,
·包含第一多元醇、第二多元醇和第三多元醇的多元醇组分,所述各多元醇的粘度在200-6000mPa.s之间,
2)用步骤1获得的配方浸渍玻璃纤维堆(stack),所述玻璃纤维堆任选为毡片(mat)的形式,且任选通过粘合剂联结在一起,以及
3)使所述配方发泡和固化,形成包含所述玻璃纤维堆的增强泡沫塑料块;
所述增强泡沫塑料块的平均密度在115-135kg/m3之间,优选在120-130kg/m3之间,更优选约为130kg/m3,异氰酸酯指数在100-180之间,优选在130-180之间。
根据本发明的一个特征,所述异氰酸酯组分是二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI),其平均官能度在2.5-3.5之间,优选在2.9-3.1之间。
根据本发明的另一个特征,所述第一多元醇是山梨糖醇衍生物,所述第二多元醇是聚醚型多元醇,所述第三多元醇是聚酯型多元醇,优选地,所述聚醚型多元醇优选是甘油衍生物,所述聚酯型多元醇优选是芳香族化合物。
优先的是,所述多元醇组分由所述第一、第二和第三多元醇组成,其中所述第一多元醇以质量相对于所述多元醇组分的质量为10%-80%的比例存在,其中所述第二多元醇以质量相对于所述多元醇组分的质量为10%-80%的比例存在,及其中所述第三多元醇以质量相对于所述多元醇组分的质量为10%-80%的比例存在。
优选地,第一、第二和第三多元醇相对于所述多元醇组分质量的质量比分别是60%、20%和20%。
由于本发明配方的缘故,所述的泡沫塑料不但显示出令人满意的热绝缘特性,而且令人惊奇地显示出抗压强度和拉伸强度形式的机械特性,这因此使得该泡沫塑料可在适当的情况下用作液化气油槽船用罐的绝热材料。此外,本发明配方考虑到了玻璃纤维堆的完全和均匀的浸渍。
根据本发明的第二个特征,所述催化剂选自锡盐和羧酸钾,而不选择叔胺。因此有可能避免在本发明的泡沫塑料中使用基于叔胺的催化剂,这是一个优点,因为叔胺具有刺激性,因此不方便操作,且对环境有害。
根据本发明的第三个特征,所述发泡剂是水。因此,由于这一特征,没有必要再使用如141b型含氯氟烃之类的气体,这些气体对环境有害,且在欧洲自2004年1月1日起已被禁止,或者高易燃的气体例如戊烷。这一特征的理由在于,水作为发泡剂而存在会导致周围CO2的释放,其促使泡沫塑料膨胀。CO2具有对环境危害较少和不可燃的优点。
根据一种形式,所述发泡剂是HCF-365mfc或HCF-245fa。此外,使用HCF-365mfc和/或HCF-245fa的同时,可结合使用水作为发泡剂。
根据另一种形式,所述阻燃剂是非卤化的阻燃剂。因此,与卤化的阻燃剂形成对比的是,在组合物中掺入这种类型的阻燃剂对环境没有有害的活性。
根据第一个实施方案,所述玻璃纤维堆为玻璃纤维毡片的堆的形式。优选地,所述玻璃纤维毡片属连续原丝毡片(CSM)类型。
优选地,在第一个实施方案中,所述玻璃纤维的线密度是20-40特克斯(tex),优选30特克斯。
根据第二个实施方案,所述玻璃纤维堆包含由粗纱制成的连续玻璃纤维。
优先的是,在第二个实施方案中,玻璃纤维的线密度是30-300tex。
优选地,所述连续玻璃纤维通过如下工艺制成,所述工艺包括通过例如Plastech T.T.Ltd开发的Webforming工艺来分离线密度低于粗纱的连续玻璃纤维粗纱的步骤。第二个实施方案比第一个更有利,因为首先它在玻璃纤维方面带来改善的湿润性。这个特征的结果首先是玻璃纤维的浸渍更加均匀。此外,根据第二个实施方案的泡沫塑料块还显示出令人满意的沿所有轴线的拉伸和压缩方面的机械性质。最后,玻璃纤维来自粗纱卷线筒或者卷装,后两者更容易获得,且它们的购买成本比玻璃纤维毡片的要低。
根据第一个或者第二个实施方案的一种形式,所述玻璃纤维通过粘合剂相互联结在一起。
优选地,在这个另一种形式的实施方案中,所述粘合剂的量占所述玻璃纤维质量的0.6%-3%之间,更优选地约2.5%。此粘合剂含量有利于玻璃纤维浸渍均匀和完全。
优先的是,在第二个实施方案中,所述玻璃纤维不通过粘合剂联结在一起。因此,当粘合剂用得很少(<0.6%)或者不用时,玻璃纤维更均匀地分布在增强泡沫塑料块当中,这给予增强泡沫塑料块更好的机械特性。
优选地,在所有的实施方案中,玻璃纤维均属E型玻璃纤维。
优先的是,所述玻璃纤维堆的每平方米克重在300-900g/m2之间,优选450g/m2。
在第一个或第二个实施方案的有利的形式中,相对于增强泡沫塑料块的总质量,玻璃纤维的质量占9%-13%,优选占10%-12%。
涉及玻璃纤维毡片和玻璃纤维本身的全部前述参数也有利于令人满意地浸渍玻璃纤维,且已证明能给予泡沫塑料令人满意的拉伸强度(即伸长方面的强度)特性。
优选地,可燃性依照DIN 4102-1(B2)试验进行检测。
根据一个优选的实施方案,泡沫塑料为厚度在20-35cm之间的泡沫塑料块的形式。因此,取决于所需的用途,例如作为绝热材料,须确定配方、玻璃纤维(在适当的情况下为毡片的形式)以及发泡剂的足够数量,以生产出具有所需的厚度的泡沫塑料块。生产厚度为20cm的泡沫塑料块的优点在于,泡沫塑料块修整后,可直接用作液化气油槽船的第二绝热层(此层厚度通常为18cm)和/或可从中部横切,以直接形成液化气油槽船的第一绝热层(此层厚度通常为9cm)。同样,生产出来的厚度为30cm的泡沫塑料块经修整和在其厚度的三分之一处切割后,将能够同时形成9cm的第一绝热层和18cm的第二绝热层。
本发明另外提出生产玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料的方法,所述方法包括以下步骤:
1)在:
·选自锡盐、羧酸钾和任选叔胺的催化剂,
·发泡剂,
·乳化剂,
·任选阻燃剂
存在下,使以下两种组分接触:
·粘度在200-600mPa.s之间的异氰酸酯组分,
·包含第一多元醇、第二多元醇和第三多元醇的多元醇组分,所述各多元醇的粘度在200-6000mPa.s之间,
2)用步骤1获得的配方浸渍玻璃纤维堆,所述玻璃纤维堆任选为毡片的形式,且任选通过粘合剂互相联结在一起,
3)使所述配方在发泡后固化,以形成包含玻璃纤维堆的泡沫塑料块,
4)修整所述泡沫塑料块的顶部、底部和任选侧面,以及任选
5)横切所述泡沫塑料块,产生第一绝热层和第二绝热层。
最后,本发明提供了泡沫塑料在液化气运输罐尤其是液化气油槽船用罐的热绝缘中的用途。
在随后的详细描述中,术语“PUIR”表示“聚氨酯/聚异氰脲酸酯”。术语“低粘度”对于异氰酸酯表示粘度在200-600mPa.s之间,对于多元醇表示粘度在200-6000mPa.s之间,所有给出的粘度值均指25℃的温度下的粘度值。最后,术语“PUIR指数”表示摩尔比[(聚异氰脲酸酯的-NCO基团/聚氨酯的-OH基团)×100]。
最后,在以下描述中,术语“玻璃纤维堆”表示一堆玻璃纤维毡片(第一个实施方案)或者一堆由粗纱制成的玻璃纤维(第二个实施方案)。
在下文特别地参照所附的示意图,对本发明的多个实施方案进行详细的解释性描述的过程中,本发明将能更好地得到理解,本发明的其他目标、详细内容、特征和优点将变得更加清楚,所述多个实施方案纯粹是作为说明性和非限制性例子而给出的。
附图说明
在说明用以生产根据第二个实施方案的玻璃纤维堆的一个过程的这些示意图中:
图1是粗纱卷线筒的透视图,所述粗纱用作原料;
图2是供应绞盘的透视图,所述供应绞盘是粗纱卷线筒和玻璃纤维的分配器头之间的中间元件;以及
图3是玻璃纤维生产线的透视图。
具体实施方式
依照本发明,PUIR泡沫塑料通过异氰酸酯组分和由多元醇混合物组成的多元醇组分之间的反应来形成。这些不同的化合物之间的反应依照以下四个步骤来进行:
Figure A20061005884900102
反应2
Figure A20061005884900103
反应3
反应4
第一步即引发步骤是这样的步骤,其中水分子与异氰酸酯组分的-NCO基团反应,形成胺基团和CO2分子。CO2的释放引起泡沫塑料膨胀。
在第二步,从第一步获得的胺基团与-NCO基团反应,形成脲基团。
并行地,在第三步当中,多元醇组分的羟基与-NCO基团反应,形成尿烷基团。
最后,在第四步即三聚化步骤,过量的-NCO基团三个一组地结合在一起,形成异氰脲酸酯基团。
这些步骤是放热的,会引起CO2膨胀的增加,从而引起泡沫塑料膨胀。
赶在上述反应开始进行之前,立即将通过混合异氰酸酯组分、多元醇组分和各种添加剂获得的配方倒在包含确定的厚度的或者确定数目的玻璃纤维毡片的一堆玻璃纤维上。
当反应开始时,肉眼不能观察到,直到过了一段时间才能观察到,这段时间称为乳白时间(cream time)。
通过催化剂的种类和浓度对乳白时间进行调节,使得只有在玻璃纤维堆或玻璃纤维毡片被配方完全和均匀地浸渍后,反应才开始。乳白时间通常在90-120秒之间。
随后,由于内部释放的CO2引起泡沫塑料的全面膨胀,反应得以显现出来。
根据本发明,优选使用其粘度如上所述优先地在200-600mPa.之间、优选低于300mPa.s的异氰酸酯组分。异氰酸酯化合物的分子式为R(NCO)n,其中n>2,R表示脂族或者芳香族基团。优选使用二异氰酸酯,更优选使用二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
异氰酸酯组分的官能度优选在2.5-3.5之间,优选在2.7-3.1之间。官能度由异氰酸酯组分的每个分子中存在的-NCO基团的平均数目来定义。
由-NCO基团/100克异氰酸酯组分这个质量比定义的-NCO的百分数优选在28%-32%之间。
通常可采用未加工的或者未经蒸馏的二苯基甲烷二异氰酸酯。这种产品通常可从市场上获得,其商标为Suprasec,由Huntsman销售。
在本发明的背景下,多元醇组分包含三种多元醇的混合物,其粘度在200-6000mPa.s之间。
多元醇组分的粘度优选在1000-3000mPa.s之间。
多元醇的反应性用不同的参数来定义,如官能度、OH指数和芳香性。
优选的多元醇其官能度在2-6之间。
优选加以利用的多元醇的羟基指数(OH指数),由质量比(mg KOH/g多元醇)定义,优选在200-500mg KOH/g多元醇之间。
确定OH指数使得有可能评估配方的交联效率。
衍自山梨糖醇的多元醇的代表性例子是例如来自Huntsman的商标为Daltolac的多元醇。对于衍自山梨糖醇的多元醇,其OH指数优选为500。
聚醚型多元醇的代表性例子是例如衍自甘油(其侧链用1,2-环氧丙烷延伸)的产品,如由Shell Chemicals以商标Caradol销售的那些产品。对于这第二种多元醇,其OH指数优选为250。
聚酯型多元醇的代表性例子是脂肪族聚酯型多元醇,或者优选芳族聚酯型多元醇,如邻苯二甲酸酐的衍生物。在本发明的背景下,优先采用邻苯二甲酸二甘醇酯的衍生物,如由Stepan以商标StepanPol销售的产品。对于这第三种多元醇,其OH指数优选为250。
在使用聚酯型多元醇(其通常应用于聚氨酯泡沫塑料的生产)方面的优点,使得有可能获得这样的PUIR泡沫塑料,其显示出在热条件下的充分的机械特性,以及充分的抗易燃特性。
在使用聚醚型多元醇(其通常应用于聚异氰脲酸酯泡沫塑料的生产)方面的优点在于这样的事实,即这种类型的多元醇能使PUIR泡沫塑料在冷条件下的机械强度得以提高,使配方对玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆的浸渍作用得以改善。
此外,在本发明的背景下,以上定义的异氰酸酯指数取决于引入到配方中的异氰酸酯组分和多元醇的比例。
当异氰酸酯指数在大约95-110之间时,从这种配方获得的泡沫塑料是聚氨酯(PU)泡沫塑料。当异氰酸酯指数大于200时,即当存在过量的-NCO基团时,从这种配方获得的泡沫塑料是聚异氰脲酸酯(PIR)泡沫塑料。当异氰酸酯指数在110-200之间时,从这种配方获得的泡沫塑料同时具有聚氨酯泡沫塑料和聚异氰酸酯泡沫塑料的特性,因此称为聚氨酯/聚异氰脲酸酯(PUIR)泡沫塑料。
在本发明的背景下,配方进一步包含通常用于PUIR泡沫塑料的制备的添加剂,如一种或者多种催化剂、发泡剂、乳化剂和阻燃剂。
催化剂可以是通常用于PUIR泡沫塑料的制备的凝胶化催化剂、膨胀催化剂、固化催化剂和三聚化催化剂。在本发明的背景下特别有利的催化剂是例如有机金属催化剂,如四价锡催化剂,例如羧酸锡(IV),特别是辛酸锡,以及羧酸钾,特别是辛酸钾。也可采用叔胺。
优选,在不使用胺类型的催化剂时,同时使用锡基催化剂和辛酸钾催化剂。
锡基催化剂是例如由Air Products以商标Dabco销售的DBTDL类型的那些催化剂,其优选以质量占各多元醇(即多元醇组分)的总质量的0.01%-1%之间的比例进行使用。
辛酸钾催化剂是例如由Air Products同样以商标Dabco销售的那些催化剂,其优选以质量占各多元醇的总质量的0.1%-2%之间的比例进行使用。
胺类型的催化剂是例如由Air Products以商标Polycat销售的那些催化剂,其优选以质量占各多元醇的总质量的0.01%-1%之间的比例进行使用。
催化剂用来加快一种或者多种上述不同的反应步骤。例如,四价锡催化剂和叔胺催化剂优选作用于步骤1-3,而辛酸钾催化剂优选作用于三聚化反应(步骤4)。
引入到配方中的催化剂的数量和种类直接影响反应的速率,并因此影响乳白时间。
但是,可对所引入的催化剂的比例加以改变。其理由在于,当玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆中的粘合剂的每平方米克重或比例增加时,必须降低引入到所述配方中的催化剂的比例,以推迟乳白时间,使得所述配方在反应开始前能够均匀地浸渍玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆。
因此,配方的反应性和粘度取决于多元醇的反应性,但也取决于催化剂的数量和种类。
配方进一步包含一种或者多种发泡剂,其可以是物理发泡剂或者化学发泡剂。
优选采用的物理发泡剂是非氯化的五氟丁烷化合物,特别是1,1,1,3,3-五氟丁烷,其也称为HFC-365mfc,尤其是商标为Solkane 365(Solvay销售),以及名为HFC-245fc,尤其是商标为Enovate 3000(Honeywell销售)。
优选采用的化学发泡剂是水。
上述物理发泡剂和化学发泡剂可以单独使用,或者同时使用。
物理发泡剂的优选数量作为增强PUIR泡沫塑料的所需密度的函数进行计算。相对于多元醇组分的总质量,该数量优选在0-10%(质量)之间,优选约为5%(质量)。
所采用的水的优选数量取决于PUIR泡沫塑料的总的所需密度。相对于多元醇组分的总质量,组合物中水的比例优先地在0-1%(质量)之间,优选实质上达1%(质量)。
发泡剂使得配方可以发泡。发泡剂的种类影响泡沫塑料的热绝缘性质。水优先用作发泡剂,因为它引起CO2的释放增加,比起常规的发泡剂,CO2是对环境危害较少的发泡剂。此外,CO2不会妨碍对液化气油槽船用罐的罐壁上的任何可能泄漏进行的检测。
最后,优选使用乳化剂,其可以是聚硅氧烷乳化剂或者非聚硅氧烷乳化剂。聚硅氧烷乳化剂的例子是例如Goldschmidt以商标Tegostab 8804销售的乳化剂。这种类型的乳化剂优选地以大约占多元醇总质量的1%(质量)的比例采用于配方中。非聚硅氧烷乳化剂的例子是例如Goldschmidt以商标LK443销售的乳化剂。这种类型的乳化剂优选以占多元醇总质量的0.5%-3%(质量)之间的比例采用于配方中。
乳化剂用来使发泡剂溶解和使泡孔稳定。
除了上述的关键组分之外,在本发明的配方中往往还值得采用其他组分。
也使用在本发明背景下具有优点的阻燃剂,以进一步限制泡沫塑料的可燃性。阻燃剂可以是卤化阻燃剂——例如TCPP,例如由Akzo Nobel销售,——或者优选非卤化阻燃剂——例如Lanxess的Levagard-TEP类型的阻燃剂。阻燃剂优选以占多元醇总质量的大约5%-20%(质量)的比例进行使用。
其他添加剂,如填料、交联剂和染料也可优选地加入到配方中。
一旦配制好通过混合异氰酸酯、多元醇和各种添加剂获得的配方,快速将其倒在玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片的堆上,使得配方浸渍玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆的全部厚度。这样获得的增强泡沫塑料的平均密度为115-135kg/m3,优选为120-130kg/m3,更优选约为130kg/m3。
根据第一个实施方案优先使用的玻璃纤维毡片由连续玻璃纤维毡(连续原丝毡)组成,其特别地选自由Vetrotex以商标Unifilo销售或者由Owens Corning以商标Advantex销售的连续玻璃纤维毡。
这些玻璃纤维通过粘合剂互相联结在一起,所述粘合剂存在的量优选占玻璃纤维毡片的总质量的0.6%-3%(质量),优选实质上约为2.5%(质量)。用以胶粘玻璃纤维的粘合剂优选是环氧树脂。
构成优先采用的毡片的玻璃纤维,其线密度为20-40tex,即20-40g/km纤维。
玻璃纤维毡片的每平方米克重优选在300-900g/m2的范围,更优选在300-600g/m2的范围,更优选在450g/m2左右。相对于增强PUIR泡沫塑料的总质量,玻璃纤维优选占6%-12%(质量)。
取决于粘合剂的数量和玻璃纤维毡片的每平方米克重,以及为了获得可接受的机械性质,玻璃纤维毡的数目在例如4-12之间变动。
根据第二个实施方案优先使用的玻璃纤维优选从粗纱制成,粗纱即由不是捻合在一起而是相互平行地保持在一起的玻璃纤维组成的、多少有点宽的扁平条带。玻璃纤维优选按照Plastech T.T.Ltd的Webforming工艺造出。
通过这种工艺造出的玻璃纤维的线密度优选为30-300tex。
图1至3说明Plastech T.T.Ltd的Webforming工艺。
图1显示粗纱2的卷线筒1。卷线筒1环绕着旋转轴3安装,后者沿旋转轴线A延伸。粗纱2卷绕在卷线筒1上。位于垂直于旋转轴线A的平面的卷线筒1的端平面称为纵端11和13。旋转轴3的一个远端31从纵端11中心位置延伸至卷线筒1的中央,旋转轴3接连地横穿支座4和旋转电机5。
支座4由板41和42组成,这两块板在它们的径向外表面的底部(在图的意义上)通过支承棒44与底座43连接。
旋转电机5为具有圆盘的总体形状、包含伺服电动机(未显示)的箱子的形式。旋转电机5优选装配有由计算机系统(未显示)控制的动力制动系统(未显示)。电机5的传动速度优选由计算机系统(未显示)进行控制。
卷线筒1适用于以由动力制动系统控制的速度展开粗纱2。
图2显示动力供应绞盘9。绞盘9包括具有圆盘的总体形状的箱子形式的旋转电机6。电机6驱动沿旋转轴线B延伸的旋转轴7。
位于垂直于旋转轴线B的平面的电机6的端平面称为纵端61和63。旋转轴7的一个远端71从纵端61的中部延伸至电机6的中央。通过传动盘72,远端71接连地横穿支座8的顶部81,并止于张力调节器10的中心元件101的顶部中央的对面(在图的意义上)。
电机6的传动速度及因此旋转轴7的旋转速度优选地由计算机系统(未显示)进行控制。
支座8由相对于旋转轴线B垂直延伸的板组成。它包括有三个固定孔83穿过其中的底部82。底部82与吊架85结合,以联接到一个支座上(未显示)。支座具有通道孔84穿过其中的圆形顶部81。电机6的纵端61穿过通道孔84。支座8使得电机6的定位得以维持,从而传动盘72的位置得以保持。
张力调节器10包含前述中心元件101,后者由两块相对于旋转轴线B垂直延伸的平行板组成。这两块板101a和101b由隔离物107隔开。中心元件101进一步包含分配臂102、定距臂103、前张力调整臂104和后张力调整臂105。
分配臂102朝前面(相对于图而言)径向延伸。分配臂102在其径向外端包含分配孔102a。
定距臂103朝后面(相对于图而言)径向延伸。
前张力调整臂104从中心元件101的顶部中间的前面向上(相对于图而言)延伸。后张力调整臂105从中心元件101的顶部中间的后面向上(相对于图而言)延伸。前张力调整臂104和后张力调整臂105在它们的径向外端具有圆柱体104a和105a,所述两个圆柱体分别沿与旋转轴线B平行的轴线(未显示)延伸。
图3是按照前面所述的Webforming工艺从粗纱2生产玻璃纤维15的生产线的示意图。
参照图3,粗纱2从卷线筒1连续发送到绞盘9。参照图2,粗纱(在图2中未显示)经圆柱体105a的顶部、传动盘72的底部和圆柱体104a的顶部之间穿过。然后粗纱横穿分配孔102a。与粗纱发生摩擦接合的传动盘72使粗纱展开,并使其速度得到调节。如前文所指明,粗纱2的展开速度由计算机系统(未显示)进行控制。
根据图3,玻璃纤维15的生产线包括上游的卷线筒1(用长方形示意),其以设定的速度将粗纱2分配到绞盘9(用长方形示意)。绞盘9对粗纱2的速度和张力进行更精细的调节。最后,粗纱2被引导至分配器头11(用长方形示意)的入口。分配器头11布置在运输带12的顶部的对面。粗纱2的线密度在1000-3000tex之间,优选约为2400tex。在分配器头11内部,粗纱2被分离成具有优选在30-300tex之间的低线密度的玻璃纤维15。粗纱2分离成低线密度玻璃纤维15是通过分配器头11内部的压力和气流的差别来实现的。压力和气流由计算机系统(未显示)进行控制。
此外,可引导分配器头11沿轴线X(如图所示)和Y(如前文所定义)平移,以便沿这些方向以及沿着堆的厚度(轴线Y,如前文所定义)以不规则排列或者依照模式及均衡的数量来分配玻璃纤维。分配器头11的运动及其在运输带之上的高度同样由计算机系统(未显示)进行控制。因此,堆的每平方米克重可以得到控制。还在这个实施方案中,每平方米克重优选在300-900g/m2之间。而且,相对于增强PUIR泡沫塑料的总质量,优选地,玻璃纤维15占6%-12%(质量)。
此外,分配器头11在分配玻璃纤维的同时可另外分配粘合剂。粘合剂存在的量优选占玻璃纤维堆的总质量的0-3%(质量)。用以胶粘玻璃纤维的粘合剂优选环氧树脂。
最后,分配器头11优选以3kg/min的速率分配玻璃纤维。可使用多个分配器头11,优选3个,以获得这样的速率。
总之,根据第一个或者第二个实施方案的玻璃纤维堆的浸渍质量取决于配方的反应性和粘度,但也取决于所采用的粘合剂的量。
用以生产PUIR泡沫塑料的方法优选如下进行:配方的各种组分可在低压硬质泡沫塑料混合器类型的混合器中混合。
但是,为使加工过程便利进行,通常将发泡剂和各种添加剂引入到装纳多元醇组分的容器中。随后将含有多元醇组分和各种添加剂的混合物混合到异氰酸酯组分中,并将通过这种混合操作获得的配方倒在玻璃纤维堆或者两张或多张玻璃纤维毡片的堆上。可在多元醇组分和异氰酸酯组分混合之后,将发泡剂和某些添加剂或者催化剂加入到组合物中。
优选当大规模生产增强PUIR泡沫塑料时,玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆在装有侧壁的运输带上连续(沿泡沫塑料的长度方向)移动。将配方倾倒在玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆上的容器横向(沿泡沫塑料的宽度方向)移动于两侧壁(分别由图3中的标号12和16注明)之间运输带的整个宽度。侧壁使倾倒到玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆的配方得以被容纳,从而产生均匀的浸渍作用。
配方的各种组分在环境温度和大气压下混合。同样,配方优选在环境温度和大气压下倾倒在玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆上。
过了一段时间(称为乳白时间)之后,掺入到用以浸渍玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆的配方的各种组分就开始反应。
反应继续进行,并由浸渍玻璃纤维堆或者玻璃纤维毡片堆的配方的发泡显现出来。
可根据技术人员的知识,将沉积速率作为运输的速度、泡沫塑料块的高度和所需的密度的函数进行计算。
然后,将增强PUIR泡沫塑料块干燥5-10分钟。增强PUIR泡沫塑料块的厚度优选为25或者35cm。
然后,将泡沫塑料(现为增强泡沫塑料块的形式)的顶面部分和底面部分以及侧面部分(在适当的情况下)去掉。这个修整步骤使得有可能生产出具有给定尺寸——例如9和/或18cm的泡沫塑料块。
当打算用这些PUIR泡沫塑料块来使液化气油槽船用罐绝热时,此时可将所述泡沫塑料块横切至其厚度的三分之一,以制成第一和第二绝热层这两个绝热层。在这种情况下,修整并切割30cm厚的泡沫塑料块,以同时形成厚度为9cm和18cm的泡沫塑料块,从而分别形成第一和第二绝热层。对单个泡沫塑料块进行的这一单个切割步骤,使得有可能同时获得第一绝热层和第二绝热层,这等于不仅节省了材料,因为修整损失更少了,而且节省了时间,因为只需要单个步骤就制造出两个热绝缘层。
下文给出的实施例目的是说明本发明,不能被解释为以无论任何方式限制本发明。除非另有指明,所有给出的百分数均为质量百分数。
下述实施例说明以下试验的结果
·热条件和冷条件下的Z压缩试验(即增强泡沫塑料的厚度方向的压缩试验),该试验模拟由罐中液化气的运动产生的作用于罐的侧壁的压力;
·热条件和冷条件下的Y拉伸试验(即增强泡沫塑料组合物的长度方向的拉伸试验),该试验模拟施加于罐壁之中的形变,尤其是由于当装载和卸载液化气时罐壁膨胀和收缩产生的伸长类型的形变;以及
·易燃性试验。
当Z压缩试验和Y拉伸试验在“热条件下”进行时,是在环境温度下进行。
当这些试验在“冷条件下”进行时,是在其中温度为-170℃(用液氮造成)的低温恒温器中进行。
在工业规模上,对于所获得的每种泡沫塑料块,取30-50个样品进行这些试验。
Z压缩试验按照ASTM D 1621标准(或者等同标准)进行。
压缩强度通过测量垂直施加于每个样本的表面的压力来评估,所述压力为每个样本在厚度方向上的表面相对于其初始位置的位移的函数。这些测量值标绘在压缩强度曲线(未显示)上。在增强泡沫塑料的结构破坏之前所施加的最大压力(所述曲线上的最大值)对应于最大压缩强度,其在下文中表示为“Z压缩”。
所述曲线的斜率对应于弹性模量,在下文中表示为“压缩模量”。
取决于应用情况,可能值得使用显示出高的Z压缩和低的Z压缩模量的泡沫塑料。
Y拉伸试验按照ASTM D 1623标准(或者等同标准)进行。
拉伸强度通过测量对在样本的长度方向上施加于样本的两端的拉力的阻力来评估,所述阻力是所述两端相对于它们的初始位置的位移的函数。这些测量值标绘在拉伸强度曲线(未显示)上。在增强泡沫塑料的结构破坏之前所施加的最大Y拉力(所述曲线上的最大值)对应于最大拉伸强度,其在下文中表示为“Y压缩”。
所述曲线的斜率对应于Y拉伸弹性模量。
根据应用情况,可能值得使用显示出高的Y拉伸强度和低的Y拉伸弹性模量的泡沫塑料。
值得注意的是,可执行类似的试验,以测量X拉伸强度(即增强PUIR泡沫塑料的宽度方向的拉伸强度)。但是,下文只介绍Y拉伸强度试验,因为Y拉伸试验比起X拉伸试验来,获得能通过强制实施于液化气油槽船用罐的标准的结果更加困难。这个结果上的差别是因为通常所出售的玻璃纤维毡片的固有特性造成的。
以下研究PUIR泡沫塑料的组成对Z压缩强度的影响。
增强PUIR泡沫塑料的不同组合物的配方在下表I中显示。
                                                    组分1   组分2          组分3
  多元醇1   多元醇2   多元醇3   催化剂1   催化剂2   乳化剂   阻燃剂   异氰酸酯          发泡剂
  水   物理发泡剂
                                                                     加工温度:20-30℃
  粘度(mPa.s)   3000-5000   200-400   4000-6000   -   -   -   -   170-300   -   -
  OH指数   500   250   245
  种类   山梨糖醇衍生物1   聚醚型2   聚酯型3   锡基4   辛酸钾类型5   聚硅氧烷类型6   TCPP   MDI7   -   氟烷烃8
  组合物1                                                               异氰酸酯指数:110
%(重量)* 70 10 20 0.01 0 0.9 10 130 0.91 0
  组合物2                                                               异氰酸酯指数:110
  %(重量)*   70   20   10   0.01   0   0.9   10   130   0.91   0
  组合物3                                                               异氰酸酯指数:130
%(重量)* 70 10 20 0.01 0.5 1 10 158 1.10 0
  组合物4                                                               异氰酸酯指数:130
  %(重量)*   60   20   20   0.01   0.5   1   10   150   1.10   0
  组合物5                                                               异氰酸酯指数:130
  %(重量)*   60   20   20   0.01   0.5   1   10   150   0.37   6
  组合物6                                                               异氰酸酯指数:190
  %(重量)*   60   0   40   0.01   1   1.15   10   205   1.25   0
  组合物7                                                               异氰酸酯指数:110
%(重量)* 80 20 0 0.01 0.5 0.9 10 138 0.91 0
*相对于多元醇的总质量
1 Huntsman的Daltolac R500                                                         5 Air Products的Dabco K15
2 Shell Chemical的Caradol ET250-02                                                6 Goldschmidt的Tcgostab 8804
3 Stepan的Stepanpol 2352                                                          7 Huntsman的Suprasec 5005
4 Air Products的DBTDL Dabco T12N                                                  8 Solvay的Solkane 365mfc
将表I的组分1的各种成分混合均匀。然后将组分2和组分3接连加入到组分1中。将所得的配方倒在8张玻璃纤维毡片构成的堆上,使得增强PUIR泡沫塑料的纤维含量为9%,密度为130kg/m3。在这些试验中,玻璃纤维毡片的每平方米克重和粘合剂含量分别为450g/m2和0.8%。
稳定后,以实验室规模,对每个上述组合物进行热条件下和冷条件下的Z压缩强度试验。
这些试验的结果在下表II中给出。所有给出的数值均指已将其密度值外推至130kg/m3的各泡沫塑料组合物,以便能够对它们的机械性质进行比较。由于在此密度范围内,各增强泡沫塑料组合物的密度和机械性质之间的关系是线性的,因此作此外推是行得通的。
还对上述每个配方按照ASTM D 2856标准(程序B)进行闭孔的比例的测量,按照DIN 4102-1标准进行易燃性试验。
在以下的所有表格中,所给出的结果是从所有受试样本获得的数值的平均值。
表II:不同PUIR泡沫塑料组合物的Z压缩试验的结果
  组合物   技术规范   1   2   3   4   5   6   7
  异氰酸酯指数   -   110   110   130   130   130   190   110
  可燃性   DIN 4102-1   B3   B3   B2   B2   B2   B2   B3
  闭孔的比例   >92%   92   92.2   93   94   94   93   93
  热条件下(20℃)
  Z压缩(MPa)   大于1.6   1.6   1.52   1.73   1.65   1.61   1.75   1.6
  Z压缩模量(MPa)   50-80   75   71   75   69   71   76   73
  冷条件下(-170℃)
  Z压缩(MPa)   大于3   3.7   3.5   3.2   3.4   3.2   2.35   3.2
  Z压缩模量(MPa)   小于130   117   120   125   126   128   117   136
B3:不符合DIN 4102-1标准
B2:符合DIN 4102-1标准
在表II和以下表格中,不符合强制实施于液化气油槽船用罐的标准的结果以粗体显示。表II中的“技术规范”一列显示由本申请人公司在实验室规模强制实施于液化气油槽船用罐的所有标准。
在热(20℃)条件下,所有的组合物所得出的Z压缩强度结果总的说来是令人满意的。但是,对应用于液化气油槽船用罐来说,异氰酸酯指数为130的组合物3和组合物4显示出最好的结果。
在冷(-170℃)条件下,除组合物6之外(其异氰酸酯指数远大于提出权利要求的异氰酸酯指数,且其只含有两种多元醇),所有的组合物显示出大于3Mpa的Z压缩强度。
值得关注的是,异氰酸酯指数为110的配方显示出良好的机械强度,但其易燃性抗性比异氰酸酯指数更高的配方的要低。
总之,为在热和冷压缩强度特性与易燃性抗性特性之间获得最佳折衷,对于根据本发明的组合物,似乎需要有三种多元醇。
此外,相对于多元醇组分的总质量掺入了60%的第一多元醇、20%的第二多元醇和20%的第三多元醇的组合物4,是能提供最佳的玻璃纤维毡片浸渍作用的组合物,使得增强PUIR泡沫塑料的均匀性提高。
以下研究玻璃纤维毡片的特性和增强PUIR泡沫塑料的总密度对Z压缩强度和Y拉伸强度的影响。
在工业规模上进行研究的不同的增强PUIR泡沫塑料组合物在下表III中显示。
表III:不同增强PUIR泡沫塑料的组合物
  组合物   平均密度(kg/m3)  纤维的比例*   玻璃纤维毡片的层数   玻璃纤维毡片每平方米克重(g/m2)   粘合剂含量*
  8   123   11.1   10   450   2.5
  9   132.5   7.6   8   450   2.5
  10   131.5   11.1   7   600   0.8
  11   132.5   10.1   8   600   2.5
  12   131   11.3   10   450   2.5
*%(质量)相对于增强泡沫塑料的总质量
以上各组合物8-12是基于前述的组合物4的,但掺入了具有不同的特性的纤维毡片,所述特性涉及每平方米克重、粘合剂含量、纤维的比例以及玻璃纤维的层数等方面。
平均密度及其后的所有结果是通过将在增强PUIR泡沫塑料厚度方向的各个水平(底部、中部和顶部)上获得的结果取平均值来计算的。
热条件下Z压缩强度试验和Y拉伸强度试验在下表IV中给出。下表的“技术规范”一列显示由本申请人公司在工业规模强制实施于液化气油槽船用罐的所有标准。
表IV:热条件下(20℃)的Z压缩强度和Y拉伸强度试验
  组合物   技术规范(MPa)   8   9   10   11   12
  Z压缩(MPa)   大于1.5   1.42   1.47   1.72   1.62   1.65
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   0.17   0.12   0.11   0.23   0.2
  Z压缩模量(MPa)*   小于80   60   65   70   75   70
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   10.9   8.2   7.3   9.1   6.0
  Y拉伸(MPa)   大于2.4   2.95   2.2   2.55   3.1   3.2
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   0.95   0.72   0.23   0.65   1.2
  Y拉伸模量(MPa)   小于150   122   92   112   125   133
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   40.5   51   20   48   35
*偏差:单个组合物的显示出最小结果和最大结果的样本之间的偏差
冷条件下的Z压缩强度和Y拉伸强度试验结果在下表V中给出。
表V:冷条件下(-170℃)的Z压缩强度和Y拉伸强度试验
  组合物   技术规范(MPa)   8   9   10   11   12
  Z压缩(MPa)   大于2.7   2.65   2.71   2.87   3.12   2.95
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   0.31   0.23   0.33   0.7   0.26
  Z压缩模量(MPa)   小于130   116   111   120   125   113
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   21   26   12   18   22
  Y拉伸(MPa)   大于2.7   NM   2.65   1.6   3.41   3.4
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   NM   0.71   1.14   0.85   1.75
  Y拉伸模量(MPa)   小于190   NM   177   152   215   167
  偏差(以Mpa为单位)*   尽可能小   NM   58   40   61   42
NM:未测量
*偏差:单个组合物的显示出最小结果和最大结果的样本之间的偏差
虽然总的说来所有的配方在Y拉伸强度和Z压缩强度两方面均得到令人满意的结果,但是,很明显,还是配方11在热条件下和冷条件下显示出最好的平均性能。
进一步地,应当指出的是,在热条件下,纤维含量最低(7.6%)的配方9导致在热条件下的性能稍低。
此外,粘合剂含量最低(0.8%)的配方10导致在冷条件下的性能稍低。
类似地,密度最低的配方8在热条件下和冷条件下显示出稍低的性能。
本发明的配方显示出优选的压缩强度/模量比,为35-45左右。这个特性使增强PUIR泡沫塑料在强度和柔韧性之间有极好的平衡。
最后,还对每个上述配方,通过按照ASTM D 2856标准(程序B)进行闭孔的比例的测量来测定泡沫的品质,按照DIN 4102-1标准进行易燃性试验,并将结果在下表VI中给出。
表VI:闭孔的比例的测量及可燃性试验
  组合物   技术规范   8   9   10   11   12
  平均泡沫塑料密度(以kg/m3   -   123   122   131.5   132.5   131
  为单位)*
  偏差   尽可能小   8.3   9.5   5.8   11.0   8.8
  可燃性   DIN4102-1(B2)   B2   B2   B2   B2   B2
  闭孔的比例   >92%   92   93   93   94   92
*偏差:单个组合物的显示出最小结果和最大结果的样本之间的偏差
配方8-12均在易燃性抗性和闭孔的比例两方面得到非常令人满意的结果。
总之,所有上述配方都显示出非常令人满意的机械强度特性,能应用于建筑、汽车等技术领域。另外,符合由申请人公司强制实施的标准的上述配方,也可应用于液化气油槽船用罐,这是一个形变和膨胀应力更加显著的技术领域。
虽然已结合特定的实施方案对本发明进行了描述,但显然,本发明绝不局限于该实施方案,而且本发明涵括所描述的方法的所有等同技术方案以及它们的组合,这些等同技术方案以及它们的组合落入本发明的范围内。

Claims (23)

1.玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料,所述泡沫塑料通过以下步骤获得:
1)在:
选自锡盐、羧酸钾和任选叔胺的催化剂,
物理和/或化学发泡剂,
乳化剂,以及
任选阻燃剂
存在下,使以下两种组分接触:
粘度在200-600mPa.s之间的异氰酸酯组分,
包含第一多元醇、第二多元醇和第三多元醇的多元醇组分,所述各多元醇的粘度在200-6000mPa.s之间,
2)用步骤1获得的配方浸渍玻璃纤维堆,以及
3)使所述配方发泡和固化,形成包含玻璃纤维堆的增强泡沫塑料块;
所述增强泡沫塑料块的平均密度在115-135kg/m3之间,优选在120-130kg/m3之间,更优选约为130kg/m3,异氰酸酯指数在100-180之间,优选在130-180之间。
2.根据权利要求1所述的泡沫塑料,其中所述异氰酸酯组分为平均官能度在2.5-3.5之间、优选在2.9-3.1之间的二苯基甲烷二异氰酸酯(MDI)。
3.根据权利要求1和2之任意一项所述的泡沫塑料,其中所述第一多元醇是山梨糖醇衍生物,所述第二多元醇是聚醚型多元醇,所述第三种多元醇是聚酯型多元醇。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述多元醇组分由所述第一、第二和第三多元醇组成,其中所述第一多元醇以质量相对于所述多元醇组分的总质量为10%-80%的比例存在,其中所述第二多元醇以质量相对于所述多元醇组分的总质量为10%-80%的比例存在,及其中所述第三多元醇以质量相对于所述多元醇组分的总质量为10%-80%的比例存在。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述第一、第二和第三多元醇相对于所述多元醇组分质量的质量比分别是60%、20%和20%。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述催化剂选自锡盐和羧酸钾,而不选择叔胺。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述发泡剂是水。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述发泡剂是HCF-365mfc或者HCF-245fa。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述阻燃剂是非卤化的。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维堆为一堆玻璃纤维毡片的形式。
11.根据权利要求10所述的泡沫塑料,所述泡沫塑料的玻璃纤维的线密度为20-40特克斯,优选30特克斯。
12.根据权利要求1至10中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维堆包含由粗纱制成的连续玻璃纤维。
13.根据权利要求12所述的泡沫塑料,所述泡沫塑料的玻璃纤维的线密度为30-300特克斯。
14.根据权利要求12或13所述的泡沫塑料,其中所述连续玻璃纤维通过如下工艺制成,所述工艺包括分离线密度低于粗纱的连续玻璃纤维粗纱的步骤。
15.根据权利要求1至14中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维通过粘合剂联结在一起。
16.根据权利要求15所述的泡沫塑料,其中所述粘合剂的量占所述玻璃纤维质量的0.6%-3%,优选约为2.5%。
17.根据权利要求12或14所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维不通过粘合剂联结在一起。
18.根据权利要求1至17中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维堆的每平方米克重在300-900g/m2之间,优选为450g/m2。
19.根据权利要求1至18中任意一项所述的泡沫塑料,其中所述玻璃纤维的质量占增强泡沫塑料块的总质量的7%-13%,优选在10%-12%。
20.根据权利要求1至19中任意一项所述的泡沫塑料,所述泡沫塑料的可燃性按照DIN 4102-1(B2)试验进行检测。
21.根据权利要求1至20中任意一项所述的泡沫塑料,所述泡沫塑料为厚度在20-35cm之间的泡沫塑料块的形式。
22.玻璃纤维增强的聚氨酯/聚异氰脲酸酯泡沫塑料的制作方法,所述方法包括以下步骤:
1)在:
选自锡盐、羧酸钾和任选叔胺的催化剂,
发泡剂,
乳化剂,
任选阻燃剂
存在下,使以下两种组分接触:
粘度在200-600mPa.s之间的异氰酸酯组分,
包含第一多元醇、第二多元醇和第三多元醇的多元醇组分,所述各多元醇的粘度在200-6000mPa.s之间,
2)用步骤1获得的配方浸渍玻璃纤维堆,
3)使所述配方在发泡后固化,以形成包含玻璃纤维堆的增强泡沫塑
料块,
4)修整所述泡沫塑料块的顶部、底部和任选侧面,以及任选
5)横切所述泡沫塑料块,产生第一绝热层和第二绝热层。
23.根据前述权利要求之任意一项项所述的泡沫塑料在液化气运输罐尤其是液化气油槽船用罐的热绝缘中的用途。
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