专利名称:聚氨酯泡沫生产方法和设备的制作方法本发明涉及生产超低密度平顶聚氨酯泡沫的方法和设备。聚氨酯已得到广泛应用并已根据不同要求生产出各种不同密度的产品。常规调节聚氨酯泡沫密度的方法是增加或减少发泡剂(常为水)或发泡助剂(低沸点溶剂)如三氯单氟甲烷或二氯甲烷)的用量。生产低密度聚氨酯泡沫需要更多的水以提高膨胀率。聚氨酯的发泡是用有机异氰酸酯与水反应产生的二氧化碳气体达到的。常规方法为生产低密度聚氨酯泡沫而要大量用水，但这会带来下述问题。(1)异氰酸酯和大量水反应要产生大量热，从而提高了泡沫内部的温度，致使泡沫中可能出现烧焦和脱色，因此必须添加防焦剂。(2)按重量计100份多元醇中最多只能添加6～7份水才能生产出低密度聚氨酯泡沫，但这种泡沫可能烧焦且在最坏的情况下还可能起火。(3)由于必须应用大量有机异氰酸酯，三氯单氟甲烷等，形成泡沫的气体损失大，因而不可避免会降低产量。常规方法是按图1所示生产聚氨酯泡沫的，即先将聚氨酯泡沫原料液倒入大型发泡罐1，然后让溶液发泡并固化泡沫产品，从而生产出聚氨酯泡沫块2，其中发泡罐1的内表面贴有脱膜纸(未示出)。该方法称为“间歇”方法，可在很小的空间内操作，其另一优点是任何形状的泡沫块都可用此形状的发泡罐制得。但间歇法还有问题。聚氨酯泡沫原料液搅拌后倒进罐1，然后进行发泡致使其液面上升。溶液粘度随液面上升而增大。因此，除顶部和底部而外，发泡罐1的内表面和发泡块表面之间的摩擦增大，从而阻碍了发泡进程。所以，完全发泡块2呈图1所示的园顶而不是平顶，之后必须切掉顶部使其呈平顶，即间歇法需要后续切割步骤并浪费原料(因为要切掉园顶)。因此本发明的目的是用相同的发泡原料液生产出各种不同密度的聚氨酯泡沫。
另一目的是提出生产低密度平顶聚氨酯泡沫块的方法和设备。
本发明中，先将原料混合，然后让聚氨酯原料液发泡成型，原料选自多元醇，有机异氰酸酯，胺催化剂，硅(氧烷)油，锡催化剂，水(用作发泡剂)，颜料，物理性质改进剂如填料以及其它常用于制备聚氨酯泡沫原料液的成分。原料液在减压环境里发泡即可得泡沫块。换句话说，泡沫块密度是通过改变发泡环境的压力而不是通过改变原料液组成来确定的。泡沫块可保持在减压下以避免局部过热。
在本发明提出的第一种生产平顶聚氨酯泡沫的方法中，先将发泡罐置于减压箱中，然后将聚氨酯泡沫原料液搅拌后倒入发泡罐。罐上装有两端敞口的空心柱状模具，该模具可沿罐内表面上下滑动。降低箱中压力，原料液表面即随发泡反应的进行而上升并使空心柱状模具也随之上升。
空心柱状模具上装有检定原料液面和模具顶间的距离的超声探测装置。当此距离短于预定值时，探测装置即可给驱动装置发出电信号。驱动装置接收到电信号后即随原料液表面提升模具。
在本发明提出的第二种生产平顶聚氨酯泡沫的方法中，先将可转动的发泡罐放入减压箱中，然后将聚氨酯泡沫原料液搅拌后倒入发泡罐。降低箱中压力并在发泡反应过程中转动发泡罐以向发泡原料液施加离心力。
在本发明提出的第三种生产平顶聚氨酯泡沫的方法中，先将原料液搅拌后倒入发泡罐。原料液表面随发泡反应的进行而上升。在发泡反应进行到约70%之后并在结束前夕，将一平底面重物块放在发泡原料上升顶面上以使其停止上升。
图1为常规生产聚氨酯泡沫块的设备的截面图。
图2为常规法生产的聚氨酯泡沫块的投影图。
图3为实施本发明聚氨酯泡沫块生产方法的例举设备示意图。
图4为本发明生产聚氨酯泡沫块的例举设备的示意图。
图5为图4设备中发泡罐的投影图。
图6(A)-(D)为图4发泡罐中发泡操作的截面图。
图7为图5所示具有超声探测装置的控制机构框图。
图8(A)-(D)为具有图7所示探测装置时按顺序的发泡步骤截面图。
图9为按本发明另一方案生产聚氨酯泡沫的设备中发泡罐的示意图。
图10为图9罐的顶视图。
图11为图9罐中轴的侧视图。
图12为图9罐的底视图。
图13为按本发明又一方案生产聚氨酯泡沫的设备中发泡罐的示意图。
图14为图13罐的投影图。
图15(A)-(C)为图13罐中按顺序的发泡状态截面图。
本发明泡沫原料液可按原样采用目前常用的成分制成如可用聚醚类或聚酯类多元醇和二异氰酸亚甲代苯基酯，4，4′-二苯甲烷二异氰酸酯，聚合MDE或萘二异氰酸酯等有机异氰酸酯。此外，胺催化剂，锡催化剂，发泡剂(水)，泡沫稳定剂〔硅(氧烷)油〕，颜料或填料可按性质要求而组合起来应用。
提供本发明的预定减压环境的具体例子是将发泡容器设计成例如减压箱并用泵将其抽空或将发泡容器放入专为原料液发泡制成的减压箱中。在任何情况下采用间歇法都很容易，但采用大型减压箱时可采用连续法。
本发明减压环境按原料成分和产品要求的密度来确定。该环境压力一般定为大气压至约50mmHg或更高的减压值且最好为大气压至约100～500mmHg减压值。
本发明降低减压环境中压力的开始时间定在刚倒完泡沫原料液之后或最好定在发泡反应开始致使原料液面开始上升之后。
本发明由于在减压下采用二氧化碳气进行发泡，所以可强化发泡操作。更具体地讲，气孔泡沫的形成有赖于原料液中产生的二氧化碳气的逃逸强度，该强度是按二氧化碳蒸汽压与大气压的比值确定的。因此，即使产生的二氧化碳气的总量相同且其分压也相同，则大气压越低，逃逸强度就越大。而且，由于二氧化碳气易挥发，所以即使其产生量相同，也可提高原料液的有效发泡率。
即使采用相同成分的原料液，也可提高产生的二氧化碳气的蒸发(冷却)效率并因此强化发泡操作而提高发泡膨胀率，从而获得低密度(如5～10kg/m3)的聚氨酯泡沫。
例聚醚多元醇(分子量3000，官能度3，羟值56) 100.00重量份三亚乙基二胺 0.08重量份N-乙基吗啉 0.5重量份硅(氧烷)油 1.4重量份二月桂酸二丁基锡 0.35重量份H2O 4.0重量份二异氰酸亚甲代苯基酯 53.0重量份先制得上述成分的聚氨酯泡沫原料液，然后按下述在间歇系统中生产出聚氨酯泡沫。
将上述原料液倒入图3所示置于罐11中的发泡容器10中并盖上罐11的密封盖。然后在原料液面开始上升之后，打开阀12让罐11与真空泵13相连通并将罐11抽空以降低预定量的压力。减压下完成发泡之后打开进气管14将罐11中压力升至常压并从容器10中取出聚氨酯泡沫。是否在预定减压下生产泡沫总是由连接在罐11上的压力计15监控的。
在罐11中减压量为100，200，300，400和500mmHg的条件下用上述方法生产出泡沫并测定各减压条件下产品的性能。为进行比较，在大气压(减压量为0)下以类似方法并采用相同原料液生产出泡沫并同样测定产品性能。结果列于表1。
表1例1 例2 例3 例4 例5 对比例减压量(mmHg) 100 200 300 400 500 0密度(g/cm3) 0.0205 0.0156 0.0139 0.0125 0.0096 0.0238硬度(kg/JIS) 10.5 8.7 7.0 5.7 4.2 12.5抗拉强度(kg/cm2) 0.68 0.54 0.50 0.45 0.42 0.77延伸率(%) 110 95 100 120 125 115撕裂强度(kg/cm) 0.45 0.42 0.41 0.38 0.35 0.47如表1所示，用组成相同的原料液可生产出各种不同密度的聚氨酯泡沫，而且即使在0.0096g/cm3的低密度产品上也没有观察到烧焦现象。
本发明产品的表面皮层比对比例产品薄得多。这可认为是由于减压环境中氧气分压低并因而致使发泡过程中与氧气接触造成的表面性能劣化趋势得以抑制。
作为本发明的其它改进例，可在发泡反应结束之后让泡沫原料在减压箱中于大气压至50～500mmHg的减压值的条件下继续保持适当时间。由此减压工艺可获得下述优点。
(A)由于发泡时的聚合反应热不是封闭在内部而是部分向外部扩散并散发掉，所以避免了常见的烧焦和起火问题。
(B)由于反应热向外散发时是完全均匀地扩散的，所以热量不会部分集中，但可制得性能均匀的聚氨酯泡沫。
(C)与常规方法应用氟利昂发泡助剂的情况不同，本发明用减压法即可生产高发泡膨胀率的聚氨酯泡沫，因此得以解决迄今因排放氟利昂而带来的环境问题。
本发明按上述即可用相同组成的泡沫原料液生产出各种不同密度尤其是低密度的聚氨酯泡沫，同时又不会出现常见的烧焦现象。
下面将详述本发明减压下生产聚氨酯泡沫以获得平顶泡沫块的方法和设备的实施方案。
第一方案参见图4～6。图4为本发明聚氨酯泡沫生产设备示意图，图5为此设备中发泡罐投影图，而图6(A)-(D)为设备操作示意图。
图中设备包括平底且顶部敞口的大型发泡罐21。图5中罐21设计成具有矩形发泡空间的长条形箱子状，其上装有可滑动的长方形柱状升降模具22，该模具两端沿其内壁敞开，可用钢板如不锈钢，铁或锡板，塑料板如聚酯塑料，聚碳酸酯或密胺树脂或木板制成且其面上最好还涂上脱模剂或贴上脱模膜。
模具22顶端敞口处还有基本上从中间跨接的加强杆23。升降线24，…一端与模具22连接，另一端与罐21上升降转轴25a，25b上的绕线辊26，…相连。转轴25a，25b上装有链轮27a，27b，链28就绕此链轮27a，27b转动。驱动马达29装在转轴25a上以带起该轴转动。当马达29的转动带起轴25a转动时，链轮机构又带起另一轴25b等速转动。各升降线24，…以等速绕上辊26或从其解开以使模具22自由升降。原料液入口30开在罐21的侧壁上，其中装有活动门31。轴25a，26b支承于固定在罐21外壁上的轴承(未示出)上，罐21又置于滚柱32上。
罐21放在减压箱33中，其顶部连有装有电磁阀34的进气管35，其底部又连有装有电磁阀36并与真空泵(未示出)连接的抽吸管37。原料液入口38开在箱33侧壁上与入口30对准的位置并装有活动门39。箱33侧壁上还装有让罐21导入或导出箱33的可横向转动的门40。如图4所示还装有与箱33相连的罐21的导轨41和气压计42。
导轨41与箱33很近。各支脚上装有滚轮52的支架53置于导轨51上以借助活塞缸54中活塞的推进和退回而靠近或远离罐21。转轴55水平装在支架53上，而且还有柱状混合搅拌罐56可摆动地固定支承在轴55上。该轴55由马达(未示出)和传动齿轮驱动，由此在图4剪头所示方向上使罐56旋转摆动。罐56轴向上装有搅拌叶片57，该叶片由装在罐56下面的马达58带动旋转。从罐56侧面底部斜向下装有发泡液出口管59且管59和罐56的交界处还连有电磁阀60。有机异氰酸酯计量罐61装在罐56顶上且经管62与有机异氰酸酯原料罐连通。罐61底部接有供料管63且在其间装有电磁阀64。供入除异氰酸酯成分以外的成分如多元醇，催化剂等的聚氨酯原料供料管65同管63连通。聚氨酯原料清洗剂供料管66装在罐61上并与清洗剂罐67连通。废清洗剂槽68经泵69连到罐67上。
下面说明上述设备的操作。
如图6(A)所述，让模具22下降到预定位置，罐21和模具22内表面均贴上脱模纸或涂上脱模剂。然后如图4将罐21放入箱33中(关闭阀34，36)并推进或退回活塞缸54的活塞并在罐56脱开罐21时制取聚氨酯泡沫原料液。换句话说，有机异氰酸酯成分用管62送入罐61中进行计量并将阀64打开以将预定量的异氰酸酯经管63送入罐56中，同时将多元醇和其它原料如催化剂经管65送入罐56，然后转动叶片57以将罐56中各成分混合均匀。
之后驱动活塞缸54以推进活塞使罐56前进到图4所示位置并让管59端部经入口38，30插入罐21，此时入口门39，31很容易由管59推开。其后将阀60打开以将罐56制备好的发泡原料液经管59送入罐21。此时轴55按要求转动使罐56向前旋转摆动以加快原料液的排出速度。
再往后就是驱动活塞缸54退回其活塞以脱开罐56并关上门38、30。然后进行发泡反应使发泡液膨胀并如图6(B)所示使液面上升与模具22内表面接触。发泡液上升之后打开管37上的阀36以使箱33与真空泵相通并降低预定量的内压。从发泡原料液如上述与模具21内表面接触时开始，模具22即以液面上升的速度上升。结果是即使因发泡液膨胀而使液面上升，与模具22接触的发泡液顶部也不会受任何摩擦阻力的影响，因此消除了常规方法中发泡时因扰乱周边部位发泡效果而降低上胀高度的缺点，从而制得平顶聚氨酯泡沫块。
聚氨酯泡沫在罐21中如上述发泡成形时，在罐56，61脱开罐21后粘在其内表面上的泡沫原料液如下述清洗。开动泵69将清洗剂打入罐67并进而送入罐56。然后转动叶片57以溶解粘在罐56内表面上的发泡液并随之打开阀60排出溶剂。排出溶剂时又溶解了管59内表面上的发泡原料液。排出的溶剂存于槽68中供泵69打入罐67中再使用。
清洗结束后又按上述制备新的发泡液。待箱33恢复到常态后，打开其上的门40，用辊柱32将罐21推出箱33并如图中所示放入另一发泡罐。然后重复上述操作连续生产聚氨酯泡沫块。
本发明中如上述将搅拌好的聚氨酯泡沫原料液倒入发泡罐21后在减压箱抽空到预定压力时上述模具22即随发泡液的上升而上升。因此用模具22可制得平顶面聚氨酯泡沫块并通过预定减压下让原料液发泡的办法提高二氧化碳气的蒸发效率以强化发泡操作，从而可将泡沫块发泡到例如5～10kg/m3超低密度。而且可用相同原料液制得各种不同密度的聚氨酯泡沫块而同时又消除了烧焦和起火的危险。
本发明聚氨酯泡沫生产设备的结构并不仅限于上述具体方案。
上述方案中打开抽吸管上的电磁阀以用真空泵抽空减压箱，其中真空泵用作减压装置，但本发明并不仅限于此具体方案，如可将抽吸管与预先减压的减压罐连通而实现抽空减压目的。
图5中将超声探测装置71固定在加强杆23的中部以检测发泡液面上升情况并在其与上升液面的距离达到预定值时开始提升提具22以使发泡液面与模具22同步上升。因此用探测装置71代替了常规方法中操作人员用肉眼观察来控制模具的上升时间和速度的方法，从而实现了对模具的上升进行自动控制。
探测装置71的控制机构的结构如图7所示，其中包括信号灯72，环锥73以及其中的磁性探测器74，还包括放大器75，线性探测器调节器76，速度调节台77和自动速度调节器78。
从探测器71来的信号由放大器75转换成电流信号后再输入速度调节台77。台77将输入信号转换成电压信号后再输入自动速度调节器78。将此电压信号从调节器78传输给辅助马达29以调节锥体73的可变速度并由此改变模具22的上升速度。速度反馈控制信号由锥体73中的磁性探测器输入自动速度调节器78并以其控制发泡块和模具22同步上升。
这套设备的发泡操作可参看图8(A)-(D)如图8(A)所示，将模具22下降到预定位置后将发泡原料液“L”倒入罐21。发泡反应导致溶液“L”膨胀上升。如图8(B)所示，当发泡液顶面上升到预定高度时，图7的控制机构就会驱动马达29。上升模具22总是自动调节实现以适当的同步速度上升。如图8(C)和8(D)所示，由于控制模具22与发泡液“L”同步上升，因而可消除常规设备生产的发泡产品中因上升平衡失调而出现的缺陷如裂纹。
现参考图9～12详细说明本发明的第二实施方案。图9为主要表示出本发明第二实施方案聚氨酯泡沫生产设备中发泡罐的示意图。将原料液供入发泡罐的装置结构完全与图4所示相同，所以略去而不进行重复说明。图10为图9中发泡罐的顶视图，图11为发泡罐中所用轴的侧视图，而图12为发泡罐的底视图。
第二方案设备中包括具有顶部敞口111a的柱状发泡罐111。敞口111a中装有开有轴孔112的横杆113。与马达114连接的轴115(图11)的端部115a与杆113配合。马达114通过轴115和杆113带起罐111转动。原料液入口116开在罐111侧壁上并装上活动门。罐111通过滚柱120支承在底座119上，底座下还放有滚柱118。
将罐111放入减压箱121。进气管123经电磁阀122与箱121顶部相连。抽吸管125经电磁阀124与箱121底部相连并与真空泵(未示出)相通。原料液入口126开在箱121侧壁上对应于入口116的位置并在其中装上活动门127。在箱121侧壁上还装有可让罐111进出的横向活动门128且箱121上还连有罐111的导轨129和气压计130。
现说明上述设备的操作。
罐111象如图9所示放入箱121(关闭阀122，124)后，将管59端部经入口126，116插入罐111中。然后将混合搅拌罐(图4)中制成的原料液经管59倒入罐111中。之后退回搅拌罐并关上门127，117。然后再于原料液开始上升之后，关闭管123上的阀122，打开电磁阀124即可由真空泵抽空箱121。而且发泡罐本身借助马达114通过轴115和杆113进行旋转，其转速按原料液上升情况确定如为约20～120rpm，借此将离心力作用于罐111中的原料液以使其液面靠近发泡罐内壁的部分和中心部分能基本上同速或同步上升，从而制得平顶面超低密度聚氨酯泡沫块。
上述原料液发泡结束后，将箱121恢复到初始状态，打开箱121的门128并用滚柱118将罐111推出。象如图9所示放入新的发泡罐之后重复上述操作即可连续生产聚氨酯泡沫块。
上述本发明中，在聚氨酯泡沫原料液搅拌后倒入发泡罐111之后，减压箱抽空到预定压力并在进行发泡时适当地转动发泡罐111。所以，离心力的作用致使发泡罐内壁附近的原料液上升的程度基本上与中心部位原料液上升程度相同，从而制得平顶面超低密度如5～10kg/m3的聚氨酯泡沫块，而且可用相同的原料液生产出各种不同密度的聚氨酯泡沫块，同时又消除了烧焦和起火的危险。
上述方案中与马达和发泡罐横杆的连接轴并不仅限于上述具体形状。换句话说，由于是将马达的转动力传给发泡罐，所以可考虑并采用各种连接轴和杆的结构。
本发明上述聚氨酯生产设备并不仅限于上述具体结构方案。
现参考图13至15(A)-(C)说明本发明第三种方案。图13为主要表示出本发明第三实施方案聚氨酯泡沫生产设备中发泡罐的示意图。将原料供入发泡罐的装置结构完全与图4所示相同，所以略去而不进行重复说明。图14为图13中发泡罐的投影图，图15(A)-(C)为按顺序表明发泡阶段的示意图。
第三方案设备中包括顶部敞口的柱状发泡罐211，其顶上装有支架212，其中在预定位置装有均带链轮213的转轴214。有3条链216从链轮213垂下，3条链216均有一端露在罐211外面且其端部均悬挂有平衡块215。链216的另一端栓在罐211中平底面重物块217的上表面上且保持很好的平衡。重物块217底面上贴有聚氨酯泡沫片(未示出)。发泡原料液入口211a开在罐211的侧壁上并装有活动门218。其中结构同图4所示且同一参考号表示同一部件，因此略去而不进行重复说明。罐211附近设有该罐的各种原料液供入装置(未示出)，这与图4所示类似。
现说明上述设备的操作。
罐211象如图13所示放入箱33(关闭阀34，36)后，将管59端部经入口211a，30插入罐211中。然后将混合搅拌罐(图4)中制成的原料液经管59倒入罐211中。之后退回搅拌罐并关上门31，218。然后再于原料液开始上升之后，关闭管35上的阀34，打开电磁阀36即可由真空泵抽空箱33。混合搅拌罐中制成的原料液经管59倒入罐211的方式与图4所示相同。
退回混合搅拌罐之后关上门31，218。在这种情况下，罐211中发泡原料液的状态如图15(A)所示。接着就是聚氨酯发泡原料液进行反应并使其液面上升。这过程中于原料液上升到例如约70%时，象如图15(B)所示放下置于罐211上部的重物块。结果是发泡原料液上升的同时向上抬起罐211中的重物块217，从而制得符合要求的聚氨酯泡沫块219〔图15(C)〕。
上述原料液发泡结束后，将箱33恢复到初始状态，打开箱33的门40并用滚柱32将罐211推出。象如图13所示放入新的发泡罐之后重复上述操作即可连续生产聚氨酯泡沫块。
上述本发明中在聚氨酯泡沫原料液搅拌后倒入发泡罐211之后减压箱抽空到预定压力。发泡原料液随即开始上升并在上升至约70%时，将重物块放到原料液上以使原料液上升完全。因此，罐211中上升原料液中心的一大部分的上升因重物块217得到抑制，而边界处没有与重物块直接接触的原料液还可自由上升，从而可使发泡原料液的整个顶面平齐以制得平顶面柱状聚氨酯泡沫块。
上述方案中，重物块是在发泡原料液上升到约70%时放到原料液上的。但本发明并不仅限于此具体方案，如可在发泡原料液上升到约70%至完全上升前夕的任何时刻将重物块适当地放到发泡原料液上。
本发明上述聚氨酯生产设备并不仅限于上述具体结构方案。
上述本发明中在将适当进行混合搅拌的聚氨酯泡沫原料倒入发泡罐之后原料液开始上升并在发泡原料液上升到约70%至完全上升前夕的任何时刻将平底面重物块从上部放到发泡罐中的原料液上以使原料液上升完全，从而制得平顶面聚氨酯泡沫块。因此无需象常规方法那样从发泡原料液上部的预定平顶面形状位置进行切削，避免了浪费泡沫块并省去了切削步骤。
本发明重物块可用各种金属或塑料制成并优选还贴上具有连续气孔的泡沫片如聚氨酯泡沫片以使其底面上因发泡反应产生的气体(二氧化碳气)能够逸出。
而且放到发泡原料液上的重物块重量一般是按原料液上升的速度，发泡胶强度以及发泡罐尺寸而确定的且优选为0.5～2.0g/cm2。如重量过大，就会抑制发泡并同时扰乱发泡反应，进而使发泡原料液爆裂。如重量过小，重物块就会与初始发泡原料液顶部同步上升而不可能使发泡原料液顶部呈平顶面。
本发明聚氨酯发泡原料液中可适当地采用多元醇如聚醚类多元醇，聚酯类多元醇，有机异氰酸酯如二异氰酸亚甲代基酯，胺催化剂，锡催化剂，发泡剂(水)，泡沫稳定剂〔硅(氧烷)油〕以及颜料和填料等并按其应用性质的要求而混合使用。
上述方案中重物块是在原料液上升至约70%后并在完全上升前夕的任何时候应用的。如发泡原料液上升程度低于70%，则会削弱胶体而使发泡原料液无法支承重物块而扰乱发泡液的发泡反应。


本发明聚氨酯泡沫块生产方法是让聚氨酯泡沫原料液在罐(21)中的减压下膨胀。在罐(21)中装上模具(22)或平板或让罐(21)转动即可保证制得平顶面聚氨酯泡沫块。本发明还涉及实施该方法的设备。