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245fa和环戊烷发泡

作者:高考题库网
来源:https://www.bjmy2z.cn/gaokao
2020-10-31 10:28
tags:5655

雕像英文-incur

2020年10月31日发(作者:冷茂弘)


图中可以看出,发泡体系中的含水量对泡沫的导热系数由不利的影响,而
泡沫密度对导热 系数的影响则较复杂,泡沫导热系数与泡沫密度呈抛物线
的关系,在泡沫芯密度34.5kgm3附近存 在一个作低点,表明合适的泡沫
密度对降低泡沫的导热系数非常重要。
在发泡过程中, 由于HFC-245fa沸点较低,汽化速度快,会产生泡沫表
面发酥发脆,粘接性能差等的现象,通过 聚醚多元醇和交联剂的选择、发
泡剂用量和体系含水量的控制,可以有效改善泡沫与冰箱ABS板的粘接
性。另外,由于HFC-245fa汽化快,发泡料在出发泡机枪头时就已发泡,
从而导致发泡 料粘度过大,影响了泡沫在冰箱或板材内的流动。采用以有
机金属盐与六氢化三嗪及二甲基环已胺按比例 复配而成复配催化剂,可有
效调节和控制HFC-245fa的发泡速度,达到各阶段均衡发泡,改善泡 沫质
量。
(2)混合发泡剂的开发
HFC-245fa的沸点为1 5.3℃,与CFC-11和HCFC-141b相比沸点较低,应
用以现有的发泡系统,组合料的混合 设备及存储设备需做一定的改进。开
发混合发泡剂,将HFC-245fa与沸点较高的发泡剂混合,就 可以有效地解
决HFC-245fa沸点偏低的问题。
① HFC-245fa与HFC-365mfc的混合
HFC-365mfc也是目前具有应用前景的零ODP的发泡剂,其物理性能列
于表十四中。


HFC-245fa比较,HFC-365mfc具有较高的沸点和较低的 气体导热系
数,缺点是具有可燃性,因此HFC-245fa与HFC-365mfc应当是比较理想< br>的混配组合。表15为HFC-245fa与HFC-365mfc混合发泡剂的一些物理性
能。 以5050的配比为例,混配后HFC-245fa的沸点和导热系数有了较大
的改善。


图19表示HFC-245fa与

HFC-365mfc混合 发泡剂泡沫的导热系数与
HFC-245fa的关系曲线,可以看到,在HFC-245fa比例为25 %左右泡沫的
导热系数具有最小值,表明混合发泡剂不仅有利于改善HFC-245fa的物理
性能,也改善了HFC-245fa和HFC-365mfc的发泡性能。

② HFC-245fa与戊烷的共沸混合物
HFC-245fa能与碳氢化合物形成共沸物,由于 环戊环价廉易得,
HFC-245fa与环戊晚混配不仅能改善发泡剂的沸点,也能降低发泡剂的成本。图20是HFC-245fa与环戊烷混合发泡剂泡沫的导热系数变化情况,
随着HFC-24 5fa增加,泡沫导热系数逐步降低,但HFC-245fa含量在小于
50%时影响比较明显,当HF C-245fa的混合量进一步增加时,泡沫导热系
数的变化趋于缓慢。
由于环戊烷易燃,因此HFC-245fa与环戊烷混合也有利于改善环戊烷的
可燃性。


-245fa的替代成本
1.发泡剂成本
表十 六列举了全球HFC-245fa生产厂家的基本情况,由于HFC-245fa刚
刚开始商业化生产, 因此目前HFC-245fa的市场价格还比较高。但随着
HFC-245fa生产工艺的不断完善合成 熟和HFC-245fa替代HCFC-141b用量
的不断加大,HFC-245fa的、生产成本将 会不断下降,预计在3?5年内,
HFC-245fa的价格将会下降到30元公斤以下。

2.综合成本
HFC-245fa替代HCFC-141b发泡,现有发泡设备 基本无须改造,而冰箱
内胆也无须更改材料,因此尽管HFC-245fa的发泡剂本省的价格较高,但
与其它零ODP的发泡剂项比较,HFC-245fa替代的综合成本仍具有一定的
优势。 < br>Honeywell的Willams和Verbiest以美国680升的冰柜为基准,对三种零
ODP的发泡剂替代HCFC-141b的成本进行了比较,三种发泡剂分别为
2001年能效标准所 需的额外
HFC-245fa、HFC-134a和环戊烷。他们计算种考虑了替换发泡剂配方、塑料衬里、工艺转换投资成本以及为达到美国
投入,其结果如图所示。根据三种发泡剂替代的综合成本 比较结果,
HFC-245fa要比HCFC-141b高9%左右,而HFC-134a和环戊烷则要 分别高
约38%和30%。因此尽管目前HFC-245fa的市场价格要比HFC-134a和环戊烷高得多,但在美国2003年禁止使用HCFC-141b后,要达到美国冰箱
新的能效标准, 综合起来选用HFC-245fa作为HCFC-141b的替代物还是最
经济的。

3.结论
由于HFC-245fa良好的物理性能、综合环境性能和应用性能, 作为替代
HCFC-141b零ODP发泡剂已显现出良好的市场前景,可以相信,随着


HCFC-141b淘汰的加快,HFC-245fa应用研究的不断深入, HFC-245fa的< br>应用技术也将更加成熟,HFC-245fa聚氨酯泡沫的性能将进一步提高,替
代成本进一步下 降。表17为几种零ODP的发泡剂总和性能的比较。




















1 概述

自1987年蒙特利尔议定书生效以来,硬质聚氨酯泡沫工业尤其是家电行业
积极开展CF C的废止工作。冰箱制造商及聚氨酯原材料供应商做了大量的工作
来寻找CFC-11的替代发泡剂。替 代发泡剂的选择因地而异:在北美,
HCFC-141b由于易操作及低导热系数等特点被广泛使用;欧 洲由于成本及环保
的原因,主要使用环戊烷及其与异戊烷或异丁烷的混合物;至于亚太地区,由
于法规、市场结构和冰箱设计的多样性,替代形势则较为复杂。不管怎样,环
戊烷因其在环境和成本方面 的优势被普遍使用。表1列出了各种替代发泡剂的
物理特性及环境性质如ODP和GWP等。
表1 各种替代发泡剂特性比较

发泡剂
名称
HCFC-141b
环戊烷
异戊烷
异丁烷
HFC-245fa
HFC-134a
二氧化碳
CH
3
CCl
2
F
C
5
H
10

C
5
H
12

C
4
H
10

分子式 沸点 气体热导率(25℃) 蒸气压(20℃) ODP GWP 可燃 大气生命时

32.1
49.5
28
-12
mW(m·K)
9.8
12.6
13.8
15.9
12.2
14.3
16.3
kPa
69
34
80
299
124
562
5655
0.11
0
0
0
0
0
0
630
11
11
5
820
1300
1








间 (年)
8~10
0.05
0.03
0.02
7~10
14~16
120~200
CHF
2
CH
2
CF
3
15.3
CH
2
FCF
3

CO
2

-26
-78

从表1中可以很显然地看出,在HCFC-141b 废止后(许多国家计划在2003
年),所有的替代发泡剂将不含ODP值,因而地球温室效应(GWP )将成为发泡
剂选择的下一个重点。虽然碳氢类及碳氟氢类发泡剂都被认为是未来10年主要
的 替代发泡剂,碳氢类发泡剂在地球温室效应上有优势。但是如果两类发泡剂
制得的泡沫导热系数差异很大 的话,由于使用低K值泡沫体系的冰箱能耗较低,
二氧化碳排放量减少,地球温室效应的差异将会得到部 分补偿。



众所周知,在中国因能源消耗而产生的二氧化碳 排放量是相当高的(见图1),
考虑到中国的高速发展,如何在能源的供求两方面减少二氧化碳的排放成 为改
善全球环境的迫切任务。本文的目的旨在就这两类主要替代发泡剂技术对全球
环境的影响进 行详细的阐述。在本文中,我们同时也从以下三个方面简要说明
聚氨酯技术对全球环境的贡献:

1) 通过节约能源减少二氧化碳的排放

2) 通过减少原材料的使用而保护资源

3) 通过生产效率改善而节约能源及资源




内环-GDP 外环-因产能而排放的CO
2


图1 全球各地区GDP与二氧化碳排放量比例(1998年)


资料来源: Energy and Economy Statistics (IEA, 2001)


目前亚洲国家特别是中国能源紧缺状况日趋严重,因而控制二氧化碳的排放显
得尤为重要。在本 文中,我们以低K值泡沫体系为例来模拟二氧化碳排放量的
减少。

2 实验部分

所有实验结果都是通过聚氨酯硬泡的标准测试方法测得:

密度: ASTM D 1622

压缩强度: ASTM D1621

导热系数(K值): ASTM C518

用于测试物性的泡沫由可操作 碳氢发泡剂及低沸点发泡剂的高压发泡机在
如图2所示的标准模具中制备,本文中介绍的所有泡沫体系都 已用于实际生产或
至少已在生产线上经过验证。

3 结果与讨论

3.1 碳氢类发泡体系

我们在实验室开发和评估了下列六个发泡体系:

-普通HCFC-141b发泡体系A (参考体系)

-普通环戊烷发泡体系B

-低K值环戊烷发泡体系C

-快速离模环戊烷发泡体系D

-低密度环异戊烷混合发泡体系F

-低密度环戊烷异丁烷混合发泡体系E




图2 标准模具


所有这 些体系目前或正在冰箱生产线上正常使用,或至少已在客户的生产线
上经过验证确认。这些体系的泡沫物 性如表2所示,从表2中我们可以得出以
下结论:

1) 普通环戊烷发泡体系的泡沫K值比普通HCFC-141b发泡体系高
11.6%;

2) 低K值环戊烷发泡体系的泡沫K值仍比HCFC-141b发泡体系高
6.3%,但比普 通环戊烷发泡体系改进了4.7%;

3) 快速离模环戊烷发泡体系在同等试验条件下的离模膨胀值比普通环戊
烷发泡体系改进了64%;

4) 使用环异戊烷或环戊烷异丁烷混合发泡技术,可以分别降低泡沫密度
4%和7%。

表2 碳氢发泡体系的泡沫物性比较

HCFC-141b 普通环戊低K值环戊快速离模 环环戊烷异丁环异戊烷
参考体系 烷体系 烷体系 戊烷体系 烷体系 体系


多元醇
异氰酸酯
拉丝时间s
模塑密度kg·m
10%压缩强度kPa
24℃泡沫K值mW·(m·K)
离模膨胀%

1

3
A
PAPI*27
45
35
145
19
2

B
PAPI27
43
36
150
21.2
2.2

C
PAPI27
34
37
170
20.2
2.5

D
PAPI27
38
36
150
21.1
0.8

E
PAPI27
43
33.5
140
21.5
1.8

F
PAPI27
45
34.5
145
21.5
1.6

注:*陶氏化学公司商标。

3.2 碳氟氢类(HFC)发泡体系

同碳氢类发泡体系一样,我们在实验室进行下列发泡体系的开发和评估:

- 普通HCFC-141b发泡体系A (参考体系)

- 普通HFC-245fa发泡体系G

- 低K值HFC-245fa 发泡体系H

- 普通HFC-134a发泡体系I

- 低K值HFC-134a发泡体系J

泡沫物性如表3所示,从表3中我们可以得出以下结论:

1) 普通HFC-245fa 发泡体系的泡沫K值比参考体系A高出5%左右,但密
度可降低11.4%,同时脱模膨胀可改善75% ( 从2%降为0.5%);

2) 低K值HFC-245fa发泡体系H的泡沫K值比 普通HFC-245fa体系改进
5%左右,其实测数值(19.1mWm·K)与参考体系A非常接近 (19.0mWm·K);

3) 普通HFC-134a发泡体系I的K值比参考体系高15.3%;

4) 与普通HFC -134a发泡体系相比,低K值HFC-134a发泡体系J的泡沫
K值改进了3.2%。

表3 碳氟氢类(HFC)发泡体系的泡沫物性比较

HCFC-141b
参考体系
普通

多元醇
异氰酸酯
A
PAPI 27
G
PAPI27

低K值

H
PAPI27

普通
体系
I
PAPI27

低K值
HFC-245fa体HFC-245fa体HFC-134aHFC-134a体系
J
PAPI27


拉丝时间s
模塑密度kg·m
10%压缩强度kPa
泡沫K值mW·(m·K)
离模膨胀率%

1

3
45
35
145
19
2
33
31
125
20.1
0.5
33
33.5
155
19.1
1.7
40
33.5
130
21.9
0.7
32
34
140
21.2
1.2
3.3 二氧化碳排放减少量的模似

3.3.1 假设

不用说,上述3.1 和3.2部分的结果仅仅只能代表泡沫性能可能改善的范围,
这些数据将随着配方和发泡生产条件的不同 而有所不同。但是为了简化计算,我
们决定用这些数据来模拟二氧化碳排放量的减少。在冰箱工业,我们 都知道冰箱
能耗改善百分率是泡沫导热系数改善百分率的一半,举个例子来说,如果导热系
数改 善了10%,那么冰箱能耗将改善5%。当然这个比率将随着冰箱设计和压
缩机性能的不同而不同。但是 不管怎样,我们决定用这个比率来模拟。在计算时
我们还作了以下一些假设:

- 在中国用普通环戊烷体系生产的冰箱的平均容积和能耗分别为200L和
350kWha;

-在中国每消耗1 kW能量将释放0.65 kg二氧化碳;

- 中国每年冰箱产量为1500万台;

-冰箱平均寿命为10年;

- 在冰箱寿命期内能耗无变化(10年)。

本文以下部分的模拟计算都基于上述假设的基础上。

3.3.2 二氧化碳的排放

表4所列的是普通环戊烷体系与各种低导热系数发泡体系二氧化碳排放减
少量的比较。累积 数据这一行表示当在中国生产的冰箱(2003~2013年)全部转
换成所在列的发泡体系时的二氧化 碳总的排放减少量。从表4我们可以明显的看


出,在中国从2003至2013年二氧化 碳累积排放减少量是一个不容忽视的量。
而且随着今后10年内技术的不断发展这必将进一步加速减少二 氧化碳的排放。

表4 低导热系数发泡体系二氧化碳的排放减少量

发泡体系
泡沫导热系数mW·(m·K)
导热系数降低率%
单台冰箱能耗降低率%
单台冰箱每年能耗降低量(kW·ha)
单台冰箱每年二氧化碳排放减少量(kga)
所有新生产的冰箱二氧化碳排放减少量
(ta)
2003~2013年CO
2
累积排放减少量(中国)t

标准 4,504,500 4,884,000 9,405,000

1
普通环戊
烷体系
21.2
标准
标准
标准
标准
标准
低导热系数 普通HFC-245fa
环戊烷体系
20.2
4.7
2.4
8.4
5.5
81,900
体系
20.1
5.2
2.6
9.1
5.92
88,800
低导热系数
HFC-245fa体系
19.1
10.0
5.0
17.5
11.4
171,000
3.3.3 环戊烷体系和HFC-245fa体系比较

在选择发泡剂时必须考虑的一个问题即环境因 素特别是温室效应。从表4
可以看出,即使是普通的HFC-245fa体系,其二氧化碳的排放量也比 低导热系
数的环戊烷体系低。更不用说低导热系数的HFC-245fa体系了,其二氧化碳的
排放减少量是其它体系的二倍。但是另外一方面,从表1中可以看出,与环戊烷
相比HFC-245fa 具有较高的温室效应。现在我们以200L的冰箱为标准,将各
种发泡剂对温室效应的影响以二氧化碳的 量来表示(表5)。在表5中,如果冰箱
泡沫中所有的发泡剂都释放至空气中,那么其影响可以用二氧化 碳的量来计算。

现在我们通过比较两种低导热系数体系(环戊烷和HFC-245fa )的二氧化碳
的排放量来评估它们对温室效应的影响,冰箱的寿命为10年。

- 由于HFC-245fa体系的能耗比环戊烷体系的低,因此与环戊烷体系相比,
在这方面其二氧化碳的 排放量可减少(11.4 –5.5)kg×10年=59kg 。

- 但是如果所有的 发泡剂都释放至空气中的话,HFC-245fa体系的二氧化碳
释放当量将比环戊烷体系多205.7 kg-2.76kg =202.9kg。


根据上述模拟,环戊烷看起来 好像比HFC-245fa对环境更有利些,但是如
发泡剂已在泡沫中分解而没有完全释放至空气中的话 ,情况必将有所不同。

表5 发泡剂对温室效应的影响以二氧化碳的量来表示

普通环戊烷低导热系数环戊烷
体系

3
普通
HFC-245fa体

低导热系数
HFC-245fa体系 体系
模塑密度kg·m
每台200L冰箱泡沫用量kg
单冰箱泡沫的发泡剂量kg
发泡剂的相对分子质量
发泡剂量mol
GWP
对应的二氧化碳的量mol
对应的二氧化碳的量kg
36
7
0.35
70
5.0
11
55.0
2.42
37
7.2
0.40
70
5.7
11
62.7
2.76
31
6
0.57
134
4.3
820
3526
155.1
33.5
6.5
0.77
134
5.7
820
4674
205.7
3.3.4 通过降低泡沫密度节约原材料

当我们考虑家电工业持续发展的时 候,自然资源的节约是另外一个主要的因
素。我们可以通过开发低密度体系来降低生产泡沫的原料聚醚、 异氰酸酯、催化
剂、硅油的使用量。正如我们前面提到的那样,如果我们用环异丁烷体系来替
代 目前的普通环戊烷体系的话,单台冰箱泡沫重量可降低7%,那么整个中国每
年可节约聚氨酯原材料73 50t (7kg×1500万台×0.07)。但是考虑到对泡沫导热系
数的负面影响和操作异丁烷需 投入一定的资金,那么其益处就不怎么明显。

3.3.5 通过生产效率改善来节约资源

通过对生产效率改善,聚氨酯技术可对资源的节约作出贡献 ,一般来说泡沫
后膨胀从2%降至0.8%,就意味着脱模时间可降低20%至40%。这不仅能降低< br>能耗而且能够减少人力和资金的投入。总的来说,通过对自然资源的节约,它能
对环境的改善带来 一定程度的贡献。但是这是很难评估的,因为其影响程度主要
取决于工厂的设计和生产的方式。

4 结论


通过使用先进的原材料及配方技术,可以用较为 经济的方式开发出很低导热
系数的各种替代发泡剂体系,由此制得的泡沫具有极佳的导热系数和良好的工 艺
性。这样的泡沫由于使用了无ODP的发泡剂并通过较好的能效减少了二氧化碳
的排放而使生 产的冰箱更加环保。在另一方面,我们也开发了快速脱模(降低生
产周期)泡沫体系和低密度泡沫体系, 这些使我们在冰箱制造过程中节约了能源
和使用较少的原材料(自然资源)。

陶 氏化学公司针对市场中现有的各种发泡剂开发了低导热系数的泡沫体系,
这些泡沫体系可通过较低的冰箱 能耗而减少二氧化碳的排放,二氧化碳排放量的
减少可通过现有的一些工业数据进行模拟计算。快速脱模 体系及低密度体系通过
制造过程中能源消耗和原材料的降低同样对全球环境产生正面影响。通过给客户< br>提供最佳的解决方案,聚氨酯技术可以促进中国的冰箱工业持续发展。

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