真空发泡技术在家用冰箱中的应用研究

冯逍

摘要：在当今国内的冰箱市场，技术开发水平已非常成熟。目前较为经济效益、合理的"HFC245fa+环戊炔+聚醚"的三元共混发泡工艺技术已处于市场主导地位，企业已经很难再寻找工艺技术上突破的新途径。除了前文中介绍的HFOs，第4代起泡剂可以替换旧HFC-245fa、增加物料的导热系数，并减少了脱模时间，但事实上，在更复杂多变的聚氨酯发泡反应中，要想取得期望成效，设备与工艺上的选择都十分关键。这就需要人们引入更高级的技术手段—真空发泡技术。

关键词：真空发泡技术，在家用冰箱，应用研究。

世界上低碳、节约已经成为必然趋势。从国际机构到全国各地政府层面，各类指令、立法、规章、地方政府机构均已逐渐强化了对节能产品的指导和监控工作;在消费者层面，全国用户无论消费意识或是消费习惯都已迅速转变为节能产品。环保与节能一直是中国家电产品的主要发展方向，但作为国内节能家电的先锋，冰箱所面对的节能任务也越来越严峻。而真空发泡技术和其他的各种发泡技术几乎都无法做出直接比较，而真空发泡技术到了二〇一七年时，才有了新突破。据康隆集团上海办事处总经理周正平先生认为，去年时全球上有五条真空发泡生产线，分别在海尔冰箱青岛、海尔冰箱成都、海尔冰箱俄罗斯、海尔冰箱泰国，以及合肥的美菱冰箱制造。

1、当前真空发泡技术的背景及研究

真空发泡技术是使塑料制品表面形成小孔构造的工艺，基本上任何的热固性和热塑性材料都可以生产泡沫塑料，其中最大真空度发泡工艺以少量的水为主要发泡剂，使发锅在完全真空状况下进行。所谓真空发泡也是在特定的负压下使气泡快速地扩张，在特定的温度控制条件下可以获得不同密度的发泡体积，由真空发泡所制造出的低致密软泡不光"手感"好，还能省料在15%以下。而目前的真空发泡装置，通常将原材料直接与发泡模具浇注混合后，再利用人工方式将发泡模具移到高温真空发泡箱内进行抽空加压，由于这种发泡的流程费时且较长耗费大量劳动力，所以提供真空发泡系统来克服这些问题非常有必要。

目前用作冰箱保温的材料主要应该是聚氨酯硬地泡沫塑料，因为它的保温特性很好且成型简单。保温板材厚度越大，保温效果也会越好但同时带来了初期的生产成本高昂、对保温板材支持力度不足等问题，因此应该适可而止。目前已经在冰箱领域中大规模应用的发泡剂品种，主要有CFC-11、HCFC-141b以及戊烷三种主要类型，对原来的CFC负十一产品线来讲，由于使用了戊烷的发泡技术需要对生产线设备进行技术改造，并且由于产能差异设备更新费用的差异也很大。

2、真空发泡技术的概念以及原理

发泡原理是把两个化学原料进行相互搅拌，两个原料在混合后进行化学反应，产生了二个主要变形现象：一是二个液态流体原材料在进行相互搅拌化学反应后很快凝固，并慢慢失去了流动性;二是当二个液体原材料在进行化学反应后，体积急剧扩大，最后产生了带有微小孔隙的固体发泡物料，该化学反应后的产品(俗称发泡料)通常具有重量轻、带有丰富孔隙、并且具有优异的保温效果。而真空发泡技术以少许的水为主要发泡剂，可以让发泡的原理在真空状况下实现。所以，真空发泡同时也是在特定的负压下使气泡快速扩大，在特定的温度控制条件下可以获得不同密度的发泡体积。这与"爆米花"有相似之处。既然在真空发泡时使用了负压发锅，形成了低致密的气泡。所以，使用正压发锅可生产高密度的PU塑料制品，这也正是变压真空发泡原理的所有意义。变压最大真空发锅，是一种处理环境难题较为理想的方法。尤其是在低密度的小软泡以及某些较高密度的PU塑料制品生产过程中，使用变压最大真空发锅技术还能增加生产的性价比。变压最大真空度发锅所制造出的小密度软泡除了"手感"好，还能省料在15%左右。所以虽然最大密度的PU制品市场用量不大，但是为了制造最大密度的PU制品，变压(正压)发锅也是一种非常好的生产工艺途径与方式。

聚醚(及助剂)搅拌罐在一提升机帮助下，向上到最高位，TDI贮罐和聚醚贮罐依次装入配方料。聚醚和助剂(水、胺、锡、硅油等)在一预混机头帮助下将其预混均匀，并灌入预混贮罐。此时，TDI也流入了贮罐。接着，迅速放入了TDI，与此同步，TDI、聚醚搅拌机头高速搅动，混合罐底部闸门开启，混料流入模型。放料过程结束，提升机使其向上至最高位置。并且模型箱迅速流入真空发泡箱，从而完成了真空发泡。只要真空箱的总量充足能够完成连续作业，其制造效果将是非常高的。并且全部循环工作均在自动控制下完成。设计浇注系统部分的主要难题：1、混合罐的内部残余PU材料的清理问题;2、底阀封闭问题;3、系统程序控制问题。在浇注完毕后，发泡模具迅速流入真空箱内，如图四所显示。该真空箱的构造尺度很大，其构造刚度问题必须解决很好。结构刚度不足，材料变形过大影响密封性问题;结构刚性度过强，材料浪费太大。而门窗的密封性管理问题也是真空箱内设计的关键。由于门窗的尺度很大，若要靠一种高刚性的水平度来保证密封性问题，其工艺困难度很大，且花费高昂。若选择一种柔性密封处理，则效果更佳。真空箱门的开关通过一只大油缸控制门窗左右倾斜。另有使用水平转动开关、水平推拉、垂直上下开真空柜门等的方案，但上述方法各有优缺点。在负压发锅状况下，无须专用的锁定机构，只靠负压即可把门拉好。如需要正压发锅需要使用锁定结构。

变压式真空发泡系统中，浇注系统是一种主体组成部分，而抽空系统又是一种主体组成部分。由真空泵、负压贮罐、真空箱再外加管道连接，组成了整个真空体系。该系统中，真空箱容量为十八m三，真空泵(水环泵)使用的二十二kW电力、最大抽空速率三十m/miN、最大限制抽出水压为七点八N。而负压贮罐容量则为二十m三。抽空的操作：首先由真空泵对负压贮罐抽空十二miN，水压到达六点八N。然后当发泡模具流入真空箱内，关起门来时，立即对负压贮罐和真空箱内的管道阀门同时开启进行抽空，约二十五秒真空箱内的负压贮罐到达了—三点七N。同时，由真空泵继续补压一分钟左右，真空箱内气压就到达了—四点九N。这个标准下基本可以保证气压在10/kg/m3。但是假如直接通过真空泵对真空箱抽出，抽空效率就很难满足用户需求。

3、真空发泡技术的优势

在实践中的真空发泡技术在形成初期外表比较酥脆，在泡沫中放置一段时间以后这个情况就不复存在。而产生这一情况的原因一方面在于真空发泡技术沸点较低，易挥发，带走大量热量，也妨碍了熟化，所以我们可以通过适当增加水分予以处理。另一方面是，由于为了确保可以让聚醚和元醇充分化学反应，所加入的异氰酸酯成分都是过剩的，所以在化学反应初期剩余的异氰酸酯都不能化学反应，但是伴随的异氰酸酯的自聚，外表发酥脆的情况很快就会不复存在。为改变气泡发脆的情况，在选择反应催化剂上不但要兼顾发泡反应和凝胶反应的均衡，而且还要充分考虑气泡的后续凝固反应速度，从而降低了化学反应初期气泡内自由异氰酸酯的浓度，以最终实现了提高气泡的发脆，改善气泡粘附特性的目的。通过选择N,N-二甲基环己胺，NIAX A-33,NIAX A-1、Polycat 41等这四类反应催化剂加以复配，这些复配催化剂既可以提高发泡反应速度和凝胶反应的均衡，还可以更有效后期推进自由异氰酸酯本身的三聚反应，进而减少了气泡的凝固反应时间，从而改善了脱模效果。箱体发泡技术整机性能试验指采用相同类型冰箱，采用不同发泡剂的整机性能试验方法。比较的实验结果表明，LBA系列配方发泡的总导热系数为17.23mW/mK，远远小于混合光纤同轴电缆-245fa系列配方发泡的十七点八四mW/mK，所以采用真空发泡技术配制的电冰箱功率也要远远低于采用混合光纤同轴电缆-245fa系列方法配制的电冰箱。

通过调整聚醚多元醇数量的配比、调整水份与发泡剂的浓度、对各反应催化剂加以复配，从而制定出了真空发泡技术组合聚醚配方，将此配方与HFC-245fa型复合聚醚配方加以比较，就可以看到真空发泡技术复合聚醚配方的能耗上有着突出的优越性。随着我国对家电能源的控制越来越严格，真空发泡技术的卓越表现也会受到我们的高度关注，届时真空发泡技术还将在冰箱行业得到更大规模的推广应用。VIP是真空绝缘板和真空隔热板的英文简称，是中国研制出来的一类保温效果很强的保温材料，几乎能够实现完全阻隔热能的传导。其基本原理是把两个隔热板内部的空气相互抽取，使之成为相当真空状况，同时还在二个隔热板内部都添加了绝缘材料，由此就能够达到最高限度的隔热效果。它对于进一步提高电冰箱的保温效果，及其节约能源方面具有很大作用。目前，这种高温真空隔热板材已经被实际运用在了电冰箱生产中。其主体由二个隔热板和中间的绝缘材料所组成，因此只要确保了二个保温材料使用的正确时间，就能够确保其隔热效果达到要求。目前在其所使用的大多类型的防腐材料中，把玻璃纤维添加在隔热板上的效果都是最佳的。

所有绝热机理都是一样的，但都是为了最大限度的将热能传导进行中断，并以此产生一条完全没有热能传导的路中空段。不过由于热能传导的途径有许多，也就必然会使得对冰箱的隔热性能会产生某些影响。因此目前很多公司在采用最大的真空率隔热板时都不会考虑其方式的不适当，从而造成了其隔热效果的降低。其中最典型的情况，便是在隔热板的材质中加入了铝合金，这样就必然会使得热能由此而传导，这也就使得其隔热的效果遭到了影响。其次是由于中间使用的热绝缘材料都是由常规的湿法生产，其内部纤维的缺乏顺序，热能也会由此而传导。但是目前科学家已经把需求的目标确定在了"超K"，即对能量的极大程度抵消上。其主要机理就是利用离心原理使已填充的纤维实现了有序的排列，这样才能实现需求的目标。

结语：

世界上低碳、节约已经成为必然趋势。从国际机构到各地政府层面，所有指令、法规、条例、政策等都逐渐强化了对节能产品的指导和监控;在消费者层面，全球用户无论消费意识还是消费习惯都已快速走向节能产品。而环保与节能也是目前家电产品的主要发展趋势方向，而由于国家对家电能源的需求日益高涨，因此真空发泡技术的卓越特性也会受到人们的高度关注，届时真空发泡技术将会在冰箱等应用领域进行更大规模的推广应用。

参考文献：

[1]高嘉阳， 王小山， 屠浩驰，等. 真空发泡低温泡沫玻璃及其多功能化探索[J]. 新型建筑材料， 2022(005):049.

[2]张爱民, 贾国岭. 一种PU真空发泡装置:, CN211030941U[P]. 2020.