0引言

　　截至到2001年年底，我国太阳热水器保有量约3300万m2，占保有量的70%，年产量达到780万m2，产品年销售量是欧洲的10倍，成为太阳热水器的*使用国和生产国。其中占*大的真空管太阳热水器是一个地地道道的中国产品，从设计开发到生产制作都无国外经验可借鉴，存在许多有待于在实践中慢慢完善的问题。*，对太阳热水器来说，尤其是真空管太阳热水器聚氨酯保温层的质量至关重要，它决定了热水器的保温效果。聚氨酯产品历来有“三分产品，七分发泡”的说法，也就是说，不仅需要好的聚氨酯发泡料，更需要一个科学的发泡工艺和严格的操作规程。

　　泡沫收缩是太阳热水器普遍存在的问题，它能导致水箱变形、起鼓起楞甚至开裂，也即是太阳能生产厂家经常所说的“脱皮”、“脱壳”、“抽出一条脊梁骨”等现象。下面探讨一下泡沫收缩的成因。

　　2泡沫收缩成因分析

　　2.1形成不良泡沫

　　不良泡沫是造成泡沫收缩的主要原因之一，其尺寸收缩率为2%~10%。

　　目前，太阳热水器用聚氨酯泡沫都是一次或多次浇注自由发泡而成，以多次浇注为主。发泡过程中，除受大气压作用外，不受其他任何外界压力的作用。聚氨酯泡沫填充空间在凝胶过程到来之前必须*填满，凝胶之后，若泡沫体积仍在继续膨胀，所形成的泡沫，泡孔将明显拉长，严重者可呈纤维状，其物理机械性能很差，本文称之为“不良泡沫”。它降温后，因泡孔中气体冷凝而严重收缩，受热后随泡孔中气体膨胀而膨胀。多次浇注的发泡方式使得这种“不良泡沫”所占比例增大。再者相邻两次浇注形成的交界处泡沫，因收缩率的不同受冷时，易造成泡沫开裂。因此在设计泡沫成型工艺时，应该设计成一次浇注过量填充的发泡方式。所谓过量填充，是指泡沫在凝胶之前*填满空间，凝胶之后因空间受限，泡沫体积无法继续膨胀，且自行产生的发泡压力，有利于形成圆球型结构的泡孔，这种形式的泡沫体泡孔强度高，稳定性好，不易变形。而目前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，因为内胆无法承受过量填充而带来的发泡压力。如果要泡沫达到正常性能，需要对太阳热水器的结构设计和发泡工艺进行一次大变革，否则不能从根本上解决这一问题。

　　2.2泡沫密度

　　从理论的控制上说，以CFC-11作发泡剂的泡沫密度在到达32kg/m3时，泡沫就应该有足够的强度来抵御温度的变化。但考虑到太阳热水器恶劣的工作环境，工作时的内外温差（可能达到100℃），以及工作寿命的要求，我们推荐泡沫低密度不得低于35kg/m3。如果发泡剂是HCFC-141b，那么泡沫密度应该增到38kg/m3以上。

　　有的发泡料供应商，为了提高其市场竞争力，将泡沫密度降至30kg/m3以下。这虽然表面上降低了泡沫生产成本，但泡沫强度低，不足以承载装满水的水箱重量，使得泡沫被慢慢压扁，水箱的部分重量由真空管顶端支撑，真空管存着在被压碎的危险。这种现象在部分太阳能生产厂家已有先例。

　　2.3料比偏差

　　绝大多数发泡机的料比固定为1：1，也不便调整，但实际料比常受到发泡料粘度、温度等因素的影响而偏离1：1。这可从机器自由泡与手工自由泡密度的差别粗略看出。以手工自由泡密度作为基准，当机器自由泡密度低于手工自由泡时，表明A料（组合聚醚）过量。这种泡沫颜色白，强度低，手感软，气温低时容易收缩。当机器自由泡密度高于手工自由泡时，表明B料（异氰酸酯）过量。这种泡沫颜色深，强度高，手感硬而脆。这些情况下应立即设法核对料比，查看过滤器是否堵塞，压力、温度指示是否正常，确保A、B料比例的准确性。

　　对于低压浇注机由于其压力低，只有5~7kg/m3，当压缩空气的压力波动到下*或发泡料粘度略大时，都会影响混合效果，系数A、B料混合不匀，轻则泡沫颜色变深，泡孔粗大，泡沫脆性大；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A料过量（导致泡沫收缩），或局部B料过量造成的（导致泡沫易开裂）。

　　2.4环境温度的影响

　　聚氨酯发泡与温度的关系很大。因为发泡是依靠热量而进行的。如果没有热量，体系中的发泡剂无法蒸发，不能生成泡沫塑料。热量来自两方面，一是化学反应产生的热量；一是环境提供的热量。化学反应热是一个定值，不随外界因素的影响，但环境提供的热量随环境温度的变化而变化。当环境温度高时，环境能给反应体系提供热量，可增加反应速度，缩短反应时间。表现为泡沫发泡充分，泡沫表层和芯部密度接近。当环境温度低时（如18℃以下），部分反应热散发到环境中。热量的损失，一方面造成泡沫熟化期延长，增大了泡沫成型收缩率，（温度越低，成型收缩率越高）；试验表明，同一发泡料，环境温度15℃时的发泡体积比25℃的发泡体积小25%另一方面会在泡沫表面形成一层没有充分发泡甚至不发泡的硬皮，增加了泡沫灌注量，提高了泡沫生产成本。。

　　2.5外壳的材质和厚度因素

　　外壳的厚度和强度对泡沫的收缩也有一定影响，一般在相同条件下，厚度越厚，强度越高，泡沫的收缩率越小。常见的外壳材料有不锈钢、彩钢板和压花铝等。压花铝因导热系数大造成泡沫收缩率很大，逐步被淘汰。

　　3建议的发泡工艺条件

　　根据国内目前的现状，从组合聚醚的工艺性能和泡沫性能两方面考虑，我们认为太阳能热水器的发泡工艺应具备以下条件：

　　3.1温度条件

　　环境温度：以20℃~35℃为宜；A、B料温度：高压发泡机20±2℃，低压机40±5℃。

　　3.2模具（夹具）要求

　　发泡过程中，如何保持水箱外桶不变形、内桶不偏心历来是个受人关注的问题，模具是一个很重要的因素。聚氨酯在发泡过程中产生的压力为0.5~1.0kg/cm2，水箱在承受发泡压力时，易发生变形，这需要有内外模具来承载压力，同时模具应具备足够的强度模具温度应控制在40±5℃，以便泡沫迅速熟化，将成型收缩率降至小。另外根据太阳热水器构造的实际情况，可向内桶充入压缩空气使内桶承载一定的压力。

　　3.3发泡设备

　　*淘汰原始的手工发泡方式，改用浇注机发泡，有条件的厂家可用高压浇注机，流量必须在500g/s以上。聚氨酯发泡时，A料和B料在发泡机混合室内停留的时间是很短的，一般只有几分之一秒至几秒，混合效率是一个很重要的因素。

　　3.4模压泡充填

　　解决泡沫收缩问题的佳方案应是采用模压泡填充，将目前普遍采用的多次浇注自由发泡改为一次浇注过量填充，过填充率一般为10%~15%，确保在泡沫凝胶之前填满，*消除凝胶之后形成的不良泡沫。

　　3.5开模时间

　　温度是影响热水器开模时间的重要因素，它包括环境温度和模具温度。温度高，开模时间短。太阳热水器发泡后一般12min左右开模，在实际生产过程可根据温度、过填充量、保温层厚度适当延长或缩短开模时间。

　　3.6熟化

　　仿效冰箱冰柜的做法，发泡料浇注后，将桶体移到40℃~60℃的加热烘道中，在较高的环境温度下快速完成熟化过程，促使泡沫结构稳定减小收缩发生的机会。如果没有条件，开模后的桶体应在温度25℃以上的环境中进行熟化8小时以上，然后移至温度较低的地方（如成品库）。为了保证产品质量和泡沫性能，建议各生产厂家建立太阳能熟化区。