全面分析家用太陽能熱水器隔熱體選材
太陽能熱水器
有關(guān)太陽能熱水系統(tǒng)的國家規(guī)范近 20 項(xiàng)，目前。雖然家用太陽能熱水系統(tǒng)（貯熱水箱容積在 600L 以下）有成熟的規(guī)范，但是主要部件的選材一直沒有規(guī)范和統(tǒng)一，使得市場上太陽能熱水系統(tǒng)選材良莠不齊，由此會給消費(fèi)者帶來損失。
而目前仍有局部廠家使用聚苯乙烯發(fā)泡。隨著人們對太陽能產(chǎn)品的性能要求的提高，就隔熱體而言（俗稱保溫層）早期的太陽能熱水器儲水箱所用的隔熱資料主要是聚苯乙烯發(fā)泡、巖棉、珍珠巖。對儲水箱的保溫性能也提出了更高的要求。目前多數(shù)廠家采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作為太陽能熱水器的隔熱體材料。硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料一般以多元醇、多異氰酸酯為主要原料，其在一定負(fù)荷作用下不發(fā)生明顯變形，但當(dāng)負(fù)荷過大發(fā)生形變后，則不能恢復(fù)到初始狀態(tài)。
最早是將冰箱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料直接搬過來用的由于不想并不用于室外嚴(yán)寒等惡劣天氣情況，作為太陽能生產(chǎn)用的硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。對硬泡原料的配方進(jìn)行了不時改進(jìn)和調(diào)整，異氰酸酯由原來的 MDI 和 TDI 混合使用，改為粗 MDI 異氰酸酯毒性大幅降低，泡沫剛性增加，泡沫初始強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度提高，生產(chǎn)中脫模也得到提高。多元醇的選用上，目前主要選用聚醚多元醇。粘度低，官能度較高，這樣使泡沫塑料的強(qiáng)度和韌性得到平衡，也減少了異氰酸酯的用量，生產(chǎn)利息大為降低。維護(hù)臭氧層方面，氯氟氫發(fā)泡劑 CFC-11 已不再使用，正在使用的發(fā)泡劑是 HCFC-14lb 正在發(fā)展和普及的發(fā)泡體系有環(huán)戊烷發(fā)泡體系、水發(fā)泡體系以及 HFC-245fa 發(fā)泡體系。江蘇海安太陽能利用研究所保溫資料全部采用進(jìn)口聚氨酯高溫機(jī)械發(fā)泡，使產(chǎn)品的壽命達(dá)到近 20 年！
保溫層的材料和加工工藝直接影響熱水器的保溫性能，如果生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡陋，就會生產(chǎn)出劣質(zhì)的聚氨酯保溫層。一些中小品牌的太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)，雖然采用同樣的原料，但由于技術(shù)、資金實(shí)力有限，設(shè)備簡陋，甚至采用手工攪拌方式，導(dǎo)致發(fā)泡料不均勻，閉孔率極低，有的地方泡控過大，熱量極易穿透、散失快，一夜溫度可降低20℃。這樣的太陽能熱水器怎么能做到隔夜、陰天有熱水呢？而大品牌的企業(yè)原材上采用異氰酸酯和組合聚醚兩種原料，技術(shù)使用微電腦控制全自動恒溫恒壓發(fā)泡技術(shù)，保證發(fā)泡料定量稱比例，發(fā)泡均勻，一次成型，閉孔率高。并經(jīng)高溫?zé)峄幚恚苊舛伟l(fā)泡，保溫性能穩(wěn)定，使用壽命長達(dá)十幾年。
針對目前的現(xiàn)狀，硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料業(yè)應(yīng)有一定的技術(shù)要求，才能保證其保溫性能良好。目前關(guān)于太陽能熱水器用聚氨酯的國標(biāo)還沒有正式出臺，相關(guān)的太陽能標(biāo)準(zhǔn)對隔熱體的要求在GB19141《家用太陽能熱水器儲備箱》中都有體現(xiàn)。http://www.wdmqqbx.cn/
現(xiàn)在可參考的標(biāo)準(zhǔn)有QB/T2081《冰箱、冰柜用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》和QB/T3806《建筑物隔熱用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》。由于使用環(huán)境、用途的不同，一些性能參數(shù)的要求也會有所區(qū)別。下面是筆者關(guān)于熱水器用聚氨酯泡沫塑料的一些看法，供大家學(xué)習(xí)和參考。
外觀
1.黑白料外觀：白料外觀為棕黃色粘性透明液，白料成分中的發(fā)泡劑為HCFC-14lb，無機(jī)械雜質(zhì)；黑料外觀為棕色液體，無機(jī)械雜質(zhì)。
2.自由泡沫體外觀：泡沫體為白色至淡黃，無黑白銀紋現(xiàn)象，泡孔結(jié)構(gòu)均勻致密。
自由泡工藝參數(shù)
自由泡即完全是敞開式的自由發(fā)泡，除受大氣壓作用外，不受其他任何壓力的作用。
1.發(fā)泡時應(yīng)確定白料與黑料比例，以確保體系的工藝性能。黑料、白料約為（1.03～1.05）：1（質(zhì)量比）。當(dāng)白料過量時，表現(xiàn)為泡沫密度低，顏色發(fā)白，泡沫強(qiáng)度下降，手感軟，氣溫低時尤其容易收縮；當(dāng)黑料過量時，表現(xiàn)為泡沫密度高，顏色深，泡沫強(qiáng)度高，手感硬而脆。
2.發(fā)泡使用時，最好調(diào)整料溫在24±3℃范圍，以確保體系具有合適的反應(yīng)性能。
3.發(fā)泡時環(huán)境溫度：20～35℃。發(fā)泡后制品高溫熟化停留一定時間，待泡沫熟化后再移至溫度較低倉庫。
4.每天生產(chǎn)使用前，應(yīng)先檢查設(shè)備及材料情況，通過槍體注射自由泡驗(yàn)證。參數(shù)如下：
乳白時間：7～13s；抽絲時間：55～65s；不粘時間：80～100s；自由泡密度（去皮）：28～30.5kg/m3。
密度
1.表觀芯密度
根據(jù)GB/T6343《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》，表觀芯密度指去除模制時形成的全部表皮后，單位體積泡沫材料的質(zhì)量。
太陽能儲水箱殼體夾層形狀雖然簡單，但是不利于原料的流動。泡沫從灌點(diǎn)注到底部后，泡料掛壁，流動距離遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)彎，爬升高度較高，故原料體系應(yīng)具有較高的流動性。隨著化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)混合物的粘度越來越大。泡沫必須在凝膠時間（又稱纖維時間、拉絲時間）前完全充滿空間。一般情況下現(xiàn)有時間的90%是流動時間，凝膠時間后泡沫如果再向上爬升，泡孔結(jié)構(gòu)會沿上升的方向伸長，泡沫性能將大大降低。原料流動性也不能太高，流動性太高，流動時間前期粘度過低，原料容易泄漏，造成原料浪費(fèi)，成本升高，固化速度降低增加發(fā)泡時間，更重要的是會造成水箱中下部密度偏低，水箱密度差增大，因此，測量表觀芯密度時，從不同部位取樣的密度是不一樣的，密度在33～37㎏/m3范圍內(nèi)為佳。
QB/T2081《冰箱、冰柜用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料》中，表觀芯密度為28～35㎏/m3，取樣時有三點(diǎn)要求：產(chǎn)品生產(chǎn)一周后取樣；取樣時應(yīng)首先去除與泡沫粘接在一起的冰箱或冰柜的外殼和內(nèi)膽（金屬層或塑料層）；所有試樣去除表皮后裁取制得。
熱水器儲水箱取樣與冰箱類似，需待儲水箱完全熟化后，去除外殼和內(nèi)膽，所用試樣去除自然表皮，按照GB/T6343《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》的規(guī)定進(jìn)行測量。
2.表觀總密度
根據(jù)GB/T6343《泡沫塑料和橡膠表觀（體積）密度的測定》，表觀總密度指單位體積泡沫材料的質(zhì)量，包括模制時形成的全部表皮。
在儲水箱發(fā)泡前稱量外殼和內(nèi)膽的重量，發(fā)泡后稱得整體的重量，計算或測出體積，由（整體重量——外殼重量——內(nèi)膽重量）/體積便可計算出密度，應(yīng)不小于40kg/m3。
實(shí)際上，一般自由泡密度正常時，保溫層的密度比較穩(wěn)定，不會出現(xiàn)太大的差異。所以每天生產(chǎn)使用前必須驗(yàn)證自由泡密度是否正確。
壓縮強(qiáng)度
壓縮強(qiáng)度指單位面積可承受的極限壓力值，單位kPa。按照不同的使用場合，對硬泡的壓縮強(qiáng)度指標(biāo)有不同的要求。在建筑行業(yè)，冰箱、冰柜一般不小于100kPa，熱水器中一般要求不小于110kPa。具體試驗(yàn)方法按GB8813《硬質(zhì)泡沫塑料壓縮試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行。
導(dǎo)熱系數(shù)
導(dǎo)熱系數(shù)是聚氨酯硬質(zhì)泡沫的重要指標(biāo)，國際單位為W/（m·K）。從其單位可以看出，它是指在一定時間內(nèi)，單位長度所傳遞的熱量。聚氨酯的導(dǎo)熱系數(shù)是目前工業(yè)化保溫材料中最小的，一般在0.020～0.030W/（m·K）之間。為保證良好的保溫性能，熱水器用聚氨酯導(dǎo)熱系數(shù)應(yīng)該不大于0.022W/（m·K）。其試驗(yàn)方法按GB3399《塑料導(dǎo)熱系數(shù)試驗(yàn)方法 護(hù)熱平板法》規(guī)定進(jìn)行。
閉孔率
閉孔指封閉的泡孔，不和其他泡孔相通。用來做絕熱材料的泡沫塑料，要求材料有高的閉合泡室體積百分比，這樣可以防止氣體溢出，保證材料的低熱導(dǎo)性，一般要求閉孔不小于90%，一些品牌廠家可保證閉孔率不小于92%。閉孔率可按GB/T10799《硬質(zhì)泡沫塑料開孔和閉孔體積百分率的測定》的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。
尺寸穩(wěn)定性
尺寸穩(wěn)定性是指試樣在特定條件下放置一定時間后，互相垂直的三維方向上產(chǎn)生的不可逆尺寸變化。
根據(jù)太陽能熱水器的一般使用條件，按GB8813《硬質(zhì)泡沫塑料尺寸穩(wěn)定性試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件選擇低溫（-20℃，24h），高溫（70℃，48h），分別在此條件下測定泡沫經(jīng)過規(guī)定時間后的尺寸變化，一般尺寸變化率不大于1%。
就同一種硬泡而言，密度上升、導(dǎo)熱系數(shù)上升（大于30kg/m3左右時）、機(jī)械性能上升（如壓縮強(qiáng)度等）、尺寸穩(wěn)定性上升這些性能參數(shù)相輔相成，是衡量家用太陽能熱水系統(tǒng)用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料性能的重要指標(biāo)。
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