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阐述家用太阳能热水器隔热体选材性能


   家用太阳能热水系统(贮热水箱容积在600L以下)有成熟的标准,但是主要部件的选材一直没有规范和统一,使得市场上太阳能热水系统选材良莠不齐,由此会给消费者带来损失。
  就隔热体而言(俗称保温层),早期的太阳能热水器储水箱所用的隔热材料主要是聚苯乙烯发泡、岩棉、珍珠岩,而目前仍有部分厂家使用聚苯乙烯发泡。随着人们对太阳能产品的性能要求的提高,对储水箱的保温性能也提出了更高的要求。目前多数厂家采用硬质聚氨酯泡沫塑料作为太阳能热水器的隔热体材料。硬质聚氨酯泡沫塑料一般以多元醇、多异氰酸酯为主要原料,其在一定负荷作用下不发生明显变形,但当负荷过大发生形变后,则不能恢复到初始状态。
  作为太阳能生产用的硬质聚氨酯泡沫塑料,最早是将冰箱用硬质聚氨酯泡沫塑料直接搬过来用的。由于不想并不用于室外严寒等恶劣天气情况,对硬泡原料的配方进行了不断改进和调整,异氰酸酯由原来的MDI和TDI混合使用,改为粗MDI。异氰酸酯毒性大幅降低,泡沫刚性增加,泡沫初始强度和压缩强度提高,生产中脱模也得到了提高。在多元醇的选用上,目前主要选用聚醚多元醇。它的粘度低,官能度较高,这样使泡沫塑料的强度和韧性得到了平衡,也减少了异氰酸酯的用量,生产成本大为降低。在保护臭氧层方面,氯氟氢发泡剂CFC-11已不再使用,正在使用的发泡剂是HCFC-14lb,正在发展和普及的发泡体系有环戊烷发泡体系、水发泡体系以及HFC-245fa发泡体系。
  保温层的材料和加工工艺直接影响热水器的保温性能,如果生产设备和工艺简陋,就会生产出劣质的聚氨酯保温层。一些中小品牌的太阳能热水器生产企业,虽然采用同样的原料,但由于技术、资金实力有限,设备简陋,甚至采用手工搅拌方式,导致发泡料不均匀,闭孔率极低,有的地方泡控过大,热量极易穿透、散失快,一夜温度可降低20℃。这样的太阳能热水器怎么能做到隔夜、阴天有热水呢?而大品牌的企业原材上采用异氰酸酯和组合聚醚两种原料,技术使用微电脑控制全自动恒温恒压发泡技术,保证发泡料定量称比例,发泡均匀,一次成型,闭孔率高。并经高温热化处理,避免二次发泡,保温性能稳定,使用寿命长达十几年。
  针对目前的现状,硬质聚氨酯泡沫塑料业应有一定的技术要求,才能保证其保温性能良好。目前关于太阳能热水器用聚氨酯的国标还没有正式出台,相关的太阳能标准对隔热体的要求在GB19141《家用太阳能热水器储备箱》中都有体现。
  现在可参考的标准有QB/T2081《冰箱、冰柜用硬质聚氨酯泡沫塑料》和QB/T3806《建筑物隔热用硬质聚氨酯泡沫塑料》。由于使用环境、用途的不同,一些性能参数的要求也会有所区别。下面是笔者关于热水器用聚氨酯泡沫塑料的一些看法,供大家学习和参考。外观 
   1.黑白料外观:白料外观为棕黄色粘性透明液,白料成分中的发泡剂为HCFC-14lb,无机械杂质;黑料外观为棕色液体,无机械杂质。
   2.自由泡沫体外观:泡沫体为白色至淡黄,无黑白银纹现象,泡孔结构均匀致密。
  自由泡工艺参数
  自由泡即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。
   1.发泡时应确定白料与黑料比例,以确保体系的工艺性能。黑料、白料约为(1.03~1.05):1(质量比)。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,表现为泡沫密度高,颜色深,泡沫强度高,手感硬而脆。
  2.发泡使用时,最好调整料温在24±3℃范围,以确保体系具有合适的反应性能。
   3.发泡时环境温度:20~35℃。发泡后制品高温熟化停留一定时间,待泡沫熟化后再移至温度较低仓库。
   4.每天生产使用前,应先检查设备及材料情况,通过枪体注射自由泡验证。参数如下:乳白时间:7~13s;抽丝时间:55~65s;不粘时间:80~100s;自由泡密度(去皮):28~30.5kg/m3。
  密度
   1.表观芯密度根据GB/T6343《泡沫塑料和橡胶表观(体积)密度的测定》,表观芯密度指去除模制时形成的全部表皮后,单位体积泡沫材料的质量。
  太阳能储水箱壳体夹层形状虽然简单,但是不利于原料的流动。泡沫从灌点注到底部后,泡料挂壁,流动距离远,转弯,爬升高度较高,故原料体系应具有较高的流动性。随着化学反应的进行,反应混合物的粘度越来越大。泡沫必须在凝胶时间(又称纤维时间、拉丝时间)前完全充满空间。一般情况下现有时间的90%是流动时间,凝胶时间后泡沫如果再向上爬升,泡孔结构会沿上升的方向伸长,泡沫性能将大大降低。原料流动性也不能太高,流动性太高,流动时间前期粘度过低,原料容易泄漏,造成原料浪费,成本升高,固化速度降低增加发泡时间,更重要的是会造成水箱中下部密度偏低,水箱密度差增大,因此,测量表观芯密度时,从不同部位取样的密度是不一样的,密度在33~37㎏/m3范围内为佳。
   QB/T2081《冰箱、冰柜用硬质聚氨酯泡沫塑料》中,表观芯密度为28~35㎏/m3,取样时有三点要求:产品生产一周后取样;取样时应首先去除与泡沫粘接在一起的冰箱或冰柜的外壳和内胆(金属层或塑料层);所有试样去除表皮后裁取制得。
  热水器储水箱取样与冰箱类似,需待储水箱完全熟化后,去除外壳和内胆,所用试样去除自然表皮,按照GB/T6343《泡沫塑料和橡胶表观(体积)密度的测定》的规定进行测量。
   2.表观总密度
  根据GB/T6343《泡沫塑料和橡胶表观(体积)密度的测定》,表观总密度指单位体积泡沫材料的质量,包括模制时形成的全部表皮。
  在储水箱发泡前称量外壳和内胆的重量,发泡后称得整体的重量,计算或测出体积,由(整体重量——外壳重量——内胆重量)/体积便可计算出密度,应不小于40kg/m3。
  实际上,一般自由泡密度正常时,保温层的密度比较稳定,不会出现太大的差异。所以每天生产使用前必须验证自由泡密度是否正确。
  压缩强度
  压缩强度指单位面积可承受的极限压力值,单位kPa。按照不同的使用场合,对硬泡的压缩强度指标有不同的要求。在建筑行业,冰箱、冰柜一般不小于100kPa,热水器中一般要求不小于110kPa。具体试验方法按GB8813《硬质泡沫塑料压缩试验方法》规定进行。
  导热系数
  导热系数是聚氨酯硬质泡沫的重要指标,国际单位为W/(m·K)。从其单位可以看出,它是指在一定时间内,单位长度所传递的热量。聚氨酯的导热系数是目前工业化保温材料中最小的,一般在0.020~0.030W/(m·K)之间。为保证良好的保温性能,热水器用聚氨酯导热系数应该不大于0.022W/(m·K)。其试验方法按GB3399《塑料导热系数试验方法 护热平板法》规定进行。
  闭孔率
  闭孔指封闭的泡孔,不和其他泡孔相通。用来做绝热材料的泡沫塑料,要求材料有高的闭合泡室体积百分比,这样可以防止气体溢出,保证材料的低热导性,一般要求闭孔不小于90%,一些品牌厂家可保证闭孔率不小于92%。闭孔率可按GB/T10799《硬质泡沫塑料开孔和闭孔体积百分率的测定》的规定进行试验。
  尺寸稳定性
  尺寸稳定性是指试样在特定条件下放置一定时间后,互相垂直的三维方向上产生的不可逆尺寸变化。
  根据太阳能热水器的一般使用条件,按GB8813《硬质泡沫塑料尺寸稳定性试验方法》规定进行试验,试验条件选择低温(-20℃,24h),高温(70℃,48h),分别在此条件下测定泡沫经过规定时间后的尺寸变化,一般尺寸变化率不大于1%。
  就同一种硬泡而言,密度上升、导热系数上升(大于30kg/m3左右时)、机械性能上升(如压缩强度等)、尺寸稳定性上升这些性能参数相辅相成,是衡量家用太阳能热水系统用硬质聚氨酯泡沫塑料性能的重要指标。
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