聚胺酯輕質發泡隔熱材料開發及應用

刊登日期:2014/8/22
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全世界為保持建築物內適宜的溫度以及冷凍、冷藏之保溫用途,消耗掉相當多的能源。為大幅降低熱能逸散及能源浪費,可以採用良好的隔熱材料。隔熱材料係以低熱傳導性物質做為材料,例如高分子發泡材料,使材料高熱側之熱能不易傳導至低溫側,來達到保溫隔熱的效果。依美國建築及工業隔熱規範顯示,良好的隔熱材,能夠減少冷暖氣機運作時的能源消耗,在夏季,冷氣房可減少電能消耗23%,在冬季,保溫房則可減少加熱能源消耗50%。

輕質高分子發泡材料是以高分子當作基材(Matrix),在其內部導入無數微小氣孔(Cell)所產生,達到密度降低,獲得重量減輕效果,廣泛應用於隔熱保溫建材、交通器材及運動器材等民生工業。製備高分子發泡材料方法係將高分子原料經由化學反應或物理變化(加熱),以適當加工方式使氣體均勻分布於高分子材料中,在高分子固化後,氣體在高分子中形成氣孔。高分子發泡材料依照氣孔分布方式分為開放氣孔(Open Cell)及封閉氣孔(Closed Cell);氣孔與氣孔互相連通的稱為開孔型發泡材料,氣孔與氣孔互相隔絕的稱為閉孔型發泡材料。開孔型發泡材料具有較佳之吸水性、透氣性及吸音性,閉孔型發泡材料則具有較佳之隔熱性、比強度及反彈性。高分子隔熱材料又分為熱塑性及熱固性,熱塑性材料如聚苯乙烯(PS),在高溫(150~200˚C)時會融化,熱固性如聚胺酯(PU)及酚醛(Phenolic),在高溫時不會融化,繼續加溫只會裂解。

聚胺酯發泡原理
聚胺酯泡綿產製之基本組成包括異氰酸酯、多元醇、水、觸媒、界面活性劑及發泡劑等成分,基本組成比例如表二所示,發泡製程如圖二所示。異氰酸酯基(-NCO)可與大多數的親核性反應物反應,如醇類及胺類。在聚胺酯泡綿發泡過程,參與反應的原物料主要包括異氰酸酯、多元醇與水,有時包括一級或二級胺基化合物及交聯劑等。


圖三、PU發泡交聯控制技術

聚胺酯綠色環保
水發泡技術及應用利用綠色環保水發泡技術開發之聚胺酯發泡材料,其隔熱庫板發泡製程如圖四所示。使用之多元醇(主要為2~4官能基)、水與Isocyanates進行發泡反應,發泡原料中不含任何物理發泡劑(低沸點溶劑)。發泡外觀與製程的物理與化學變化,如圖五所示。本研究藉聚胺酯配方中之水量來進行調整聚胺酯泡棉之密度,水與異氰酸酯用量同時增加,反應所產生二氧化碳隨之增加,氣體產生量(V)可由理想氣體公式(PV =nRT,式(5))計算求得,如式(6)所示,假設發泡原料之密度為1,發泡倍率(r)之計算公式如式(7)所示,再由發泡倍率之倒數可求得密度,發泡密度計算如式(8)所示。二氧化碳氣體增加,聚胺酯泡棉之密度隨之降低,水量與聚胺酯泡棉之密度關係如圖六所示。發泡反應所產生之二氧化碳需藉穩泡劑留存於發泡體內,可避免密度理論值與實測密度值產生差異,並達到降低熱傳導能力之效果……以上內容為重點摘錄,如欲詳全文請見原文



圖五、聚胺酯發泡製程的物理與化學變化

作者:
蔡梵正、蘇一哲、沈永清、溫佳玲/工研院材化所
吳遠銘、林欽然、藍同天、王翰霖/久聯化學工業(股)公司

本文節錄自「工業材料雜誌332期」,更多資料請見:http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=17019
 


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