节能家电发泡剂技术开发应用

文雅丽

　　目前世界范围内都在进行HCFC发泡剂在聚氨酯硬泡领域的替代工作，以减少发泡剂对大气臭氧层的破坏。市场上家电发泡剂的替代产品主要有烷烃（环戊烷）及HFC类（245fa及365mfc），但这几种产品均有不足之处，环戊烷具有易燃的特性，因此在生产和应用过程中都存在安全隐患，而且泡沫隔热性能相对较差，难以满足日益提高的家电能效标准。HFC类产品虽然无臭氧层消耗（ODP）问题，但GWP（全球变暖潜值）较高，还是不能满足全球日益严格的对温室效应气体的限制，而且365mfc本身也具有一定的可燃性。因此聚氨酯工业急需一种能够同时满足以上各种要求的新一代高效节能、安全环保的硬泡发泡剂。正是在这种需求下，霍尼韦尔公司开发出了新一代低GWP高效节能发泡剂SolsticeTM LBA（HFO-1233zd，以下简称LBA）。
　　LBA和现有发泡剂物理性能的比较
　　目前在家电行业（包括冰箱、冷柜和热水器）中使用的替代HCFC-141b的发泡剂体系主要有环戊烷、245fa、245fa/环戊烷以及少量的134a、365mfc和全水发泡体系，性能上各有优缺点（见表1）。不同发泡剂的物理性能会直接影响到最终泡沫制品的性能。
　　目前家电行业对发泡剂主要有以下方面的要求：环保（包括ODP和GWP）、低毒、高效（更好的绝热性能，同时能够满足生产工艺其它相关的技术要求）、安全（不可燃或爆炸）。
　　从冰箱生产实践中我们发现，245fa从工艺角度看，具有不可燃的特性，从而无需防爆设备的投资，并且泡沫制品具有更低的导热系数、更好的流动性、更好的强度和尺寸稳定性。但是，245fa GWP值较高，这在将来全球日趋严格的环保要求下，必将被逐渐取代，而LBA正是针对这个缺点开发出的理想的新一代发泡剂。评估结果表明LBA的GWP值小于5。据估计，此发泡剂如能全球使用，将等效于每年降低6000万吨CO2的排放。
　　同时，由于LBA低MIR值（乙烷的MIR值为0.19±0.03，而LBA的MIR值为0.16±0.02），将不会像烃类一样被定义为VOC。
　　LBA在冰箱发泡体系中的应用及性能
　　鉴于LBA优异的绝热性能和环保特性，将成为未来取代245fa以及环戊烷的新一代环保发泡剂的最佳选择。从表1我们可以看出，LBA和245fa具有相似的物理性能，因此在应用中LBA可以直接取代245fa体系中的245fa发泡剂，而不用对生产设备进行改进。通过大量实验室以及冰箱生产线现场试验发现，如果对现有245fa配方进行优化，更能体现出LBA优异的性能，在导热系数和能耗方面将会比“直接取代”有更大的提升。以下将通过专门针对LBA所开发的配方体系在冰箱生产线上箱体（500L以上）发泡的具体数据进行分析。LBA体系工艺参数见表2。
　　LBA体系在模具和冰箱箱体注料试验中均表现出优异的流动性和导热系数，具体如表3、4所示。
　　我们可以看出，LBA体系的泡沫无论在箱体芯密度分布还是在导热系数方面都具有优异的性能参数，其中在导热系数方面，可以达到17.24mW/（m·K）（15℃环境温度下），比现有发泡体系分别降低7%（和245fa体系相比）和12%（和环戊烷体系相比）。
　　在压缩强度方面，根据测试结果，无论是平行方向还是垂直方向，LBA体系的泡沫的压缩强度都大于150kPa，完全能够满足冰箱工艺要求，同时通过泡沫对内胆及钢板的粘结性测试，我们发现LBA体系的泡沫无论对塑料内胆还是钢板外壳都具有良好的粘结性。
　　通过对试验箱体组装后，和相同生产线同时生产的245fa以及环戊烷体系冰箱的能耗测试比较，LBA体系冰箱分别比相同型号的245fa以及环戊烷体系冰箱的能耗降低了3%和7%，从而证明了LBA不但在K值上能够比现有体系大幅降低，而且在能耗方面同样体现出优异的性能，为目前冰箱企业在现有能耗基础上进一步降低开拓了新的空间，并为满足国内外不断提高的能耗标准做好了准备。
　　近期，针对全球对能效和产品环保性的要求不断提高的趋势，美国最大的几家家电制造企业都在大型冰箱上进行了LBA上线测试。结果表明，所生产冰箱能达到美国能源部（DOE）建议的2014年冰箱能效标准，而不需为提高能效使用额外增加成本的技术（比如真空保温板或改造压缩机）。
　　家用冰箱的反向漏热（RHL）测试也是针对保温性能的一种重要评价方法。虽然在美国并不测试此项，但是世界上许多地区却经常使用RHL做标准能效测试。对于电力供应不稳定的地区，一旦断电，冰箱保温性能的好坏将直接决定食物变质的快慢。对试验用的LBA冰箱与对比的245fa冰箱进行RHL评估测试结果显示，LBA冰箱的漏热值比245fa冰箱低5%。测试用的冰箱采用了相同的生产规格以避免冰箱大小和壁厚对漏热值的影响。此外，RHL值的降低与冰箱DOE能效的提高直接关联，同时验证了使用LBA优化配方所生产的冰箱的节能效果。
　　在冷热循环试验上我们采用了将冰箱箱体放置在高温50℃，低温-30℃的环境温度下进行冷热循环，每个循环12小时，共进行20个以上的循环周期。经过测试未发现冰箱内胆（HIPS）有开裂、起包及其它表面劣化的现象，证明LBA和HIPS内胆材料之间具有很好的相容性。
　　LBA实际应用的可行性
　　研究发现，由霍尼韦尔公司开发出的低GWP发泡剂LBA是适用于聚氨酯发泡行业的一种能够同时满足各种工艺及环保要求的新一代发泡剂，具有高效节能、不燃、不含可挥发性有机物（VOC）、低GWP、安全环保等特点。
　　经过不断的配方及工艺参数的优化后，以LBA新一代高效节能环保发泡剂制得的聚氨酯泡沫和现有发泡剂体系（245fa和环戊烷）相比具有更为优异的导热系数和整机能耗水平，分别比相同型号的245fa以及环戊烷体系冰箱在导热系数方面降低7%（和245fa体系相比）和12%（和环戊烷体系相比），并且在整机能耗方面降低了3%（245fa）和7%（环戊烷）。
　　LBA体系泡沫具有优良的力学强度，而且和冰箱内胆及钢板外壳粘结性能良好。
　　LBA体系泡沫和环戊烷体系相比具有优异的流动性及密度分布，因此可以在环戊烷体系的基础上进一步降低注料量。
　　LBA发泡剂对HIPS材料没有侵蚀性，相容性良好。
　　总之，LBA体系泡沫很好地解决了现有环戊烷发泡体系冰箱的绝热性能较差、能耗高、易燃易爆、含可挥发性有机物（VOC）等问题，在提升聚氨酯泡沫节能环保性能的同时，提升了泡沫流动性、密度分布和内胆之间相容性等工艺性能参数，并显着提高了冰箱生产和使用过程中的安全性。可以预见，LBA发泡剂对现有发泡体系绝热性能的升级换代具有建设性的推动作用。