憑借其多功能性，聚氨酯在各個方面的應(yīng)用都取得了進展：以一個由Fermapor CC制成的聚氨酯泡沫密封件為例，它具有超低的吸濕性和良好的耐冰水性，因此常被用作閉孔系統(tǒng)或有機硅泡沫的廉價替代品（© Sonderhoff）
聚氨酯（PU）一直以來都被當作一種用途廣泛的材料。由于其初始產(chǎn)品可以化學(xué)裁剪，因此它幾乎出現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€角落。所以，PU多年來一直在全球保持著持續(xù)增長也就不足為奇了。為了實現(xiàn)更高效的生產(chǎn)制造、改善產(chǎn)品性能并開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域，材料生產(chǎn)商和機械制造商推出了眾多不同的創(chuàng)新。當然，其中一個關(guān)鍵因素是整個流程鏈的數(shù)字化，它已經(jīng)成為整個PU行業(yè)長期發(fā)展的加速器和推動力。
涂料快速更換
在生產(chǎn)高質(zhì)量功能性裝飾表面的過程中，包含彩色PU或聚脲系統(tǒng)的涂層載體部件已成為一個具有經(jīng)濟競爭力的工藝?？紤]到客戶的個性化需求，高效的涂料更換是部件生產(chǎn)過程中最重要的挑戰(zhàn)之一。
德國亨內(nèi)基公司和奧地利恩格爾公司的聯(lián)合項目通過將異氰酸酯組分和涂料組分分成不同的單元實現(xiàn)了多種有色聚氨酯系統(tǒng)的柔性生產(chǎn)。Colourline Multi-Connect技術(shù)（圖1）是一種即插即用的模塊化系統(tǒng)，它最多可搭載七個涂料模塊，每個模塊配有獨立的混合頭。將所需的涂料模塊與異氰酸酯中央計量單元相連即可開始使用。通過這一智能原理，涂料更換無需任何沖洗或清潔措施即可在15分鐘內(nèi)完成。
圖1 Colourline Multi-Connect：這種模塊化機器系統(tǒng)可將涂料更換的時間縮短到15分鐘以內(nèi)（©亨內(nèi)基）
意大利康隆公司開發(fā)了一種多色混合頭，專為微孔泡沫有色制品的柔性生產(chǎn)而設(shè)計，如方向盤、汽車內(nèi)飾件和家具部件等。具有QCC（涂料快速更換）配置的FPL SR混合頭可通過專用噴嘴在不同涂料之間進行無廢料快速切換，因此第三部件能夠在不沖洗清潔混合室的情況下進行更換。
德國克勞斯瑪菲公司生產(chǎn)的新型多色混合頭MK 10/15-UVP-2K+4（圖2）允許最多四種涂料直接進入混合室并且相互獨立地進行計量。涂料相互分開，但可以通過混合頭隨時切換使用。因此，用戶可以在實際生產(chǎn)過程中省去涂料更換的步驟和時間。計量在多元醇噴嘴和混合室之間同時進行，因此不會發(fā)生涂料被帶入多元醇組分的情況。
圖2 涂料快速更換：MK 10/15-UVP-2K+4轉(zhuǎn)換混合頭允許最多四種涂料進行計量而不會發(fā)生涂料轉(zhuǎn)移的情況（©克勞斯瑪菲）
密封性
除了生產(chǎn)不同涂料的模制件之外，聚氨酯的另一個重要應(yīng)用是用作密封材料。該領(lǐng)域在最近幾年有了進一步發(fā)展。
舉例來說，德國Sonderhoff公司已能利用最新的雙組分PU系統(tǒng)生產(chǎn)閉孔密封泡沫。該泡沫具有極低的吸濕性和透氣性，并且極耐冰水。Fermapor CC密封系統(tǒng)（標題圖）通過最新開發(fā)的原位成型閉孔（FIP CC）工藝進行加工，為以前的閉孔系統(tǒng)和硅泡沫提供了極具價格吸引力的替代品。最新開發(fā)的DM 402/403 CC專利混合計量技術(shù)專為這一應(yīng)用而選用。其創(chuàng)新之處在于混合頭和材料制備：材料再循環(huán)不再必要，因此有利于材料更換和工藝適應(yīng)。此外，密封泡沫在計量之后即可在部件上達到近乎完全反應(yīng)的體積。
圖3 鉤環(huán)閉合：這種用于電纜泡沫封裝的模具技術(shù)能夠密封絕緣電纜線股，從而確保泡沫不會從模具中溢出（© Frimo）
密封技術(shù)的另一個特殊應(yīng)用領(lǐng)域是電纜的直接泡沫封裝。德國Frimo公司開發(fā)了一種涉及鉤環(huán)閉合的工藝，絕緣電纜線股通過該工藝能夠可靠地密封，從而確保泡沫不會從模具中溢出（圖3）并且獲得高部件質(zhì)量。然后，通過特殊的薄膜澆口將混合物注入到閉合的模具中，泡沫填充重量在20-200g之間。此外，還有內(nèi)部開發(fā)的手動吊臂可供高壓PU計量設(shè)備PURe Mix Eco使用。
節(jié)省資源
目前，最重要的開發(fā)主題之一是資源的可持續(xù)和有效利用。其中的關(guān)鍵包括增加初始材料的附加值以及回收產(chǎn)品壽命已盡的材料。德國科思創(chuàng)公司多年來一直在開發(fā)以CO2為生產(chǎn)原料的多元醇，并與亞琛工業(yè)大學(xué)合作推出了CO2基材料。但是，CO2基多元醇的大規(guī)模使用還需要更多的開發(fā)工作，其重心應(yīng)在于提高工業(yè)資源的跨國利用。在這項工作中，歐洲機構(gòu)的支持至關(guān)重要。
除了利用CO2，還可以通過提高材料效率來節(jié)省油基原材料。由德國巴斯夫聚氨酯公司生產(chǎn)的Elastoflex E產(chǎn)品組中的一系列新系統(tǒng)可使重量顯著減輕并在不影響泡沫良好性能的情況下獲得約120g/l的泡沫密度。根據(jù)部件幾何結(jié)構(gòu)不同，泡沫重量最多可減輕30%。憑借極為堅固精細的單元結(jié)構(gòu)，這種輕薄型系統(tǒng)可用于截面小于5mm的小型部件的生產(chǎn)。該產(chǎn)品組還包含一個以蓖麻油為可再生原料的泡沫系統(tǒng)。
就材料回收而言，機械制造商康隆在Cresim項目中展示了如何利用回收碳纖維制造復(fù)合材料部件。該工藝使用了生產(chǎn)廢料，因此這些纖維增強部件的材料成本得以減半，并且獲得了用原始材料生產(chǎn)的部件近85%的機械性能。用于開發(fā)該技術(shù)的項目（編號：Life11 ENV/IT/000095）因其實用性和創(chuàng)新性而獲得了2016年歐盟最佳LIFE項目獎。
PU輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件
針對具有PU基質(zhì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力纖維復(fù)合材料部件，多個機械制造商正在開發(fā)濕式模壓成型（WCM）工藝。其優(yōu)勢在于周期時間極短，無需預(yù)成型工藝，并且可以使用再生纖維。連續(xù)生產(chǎn)型材的制造有了新的發(fā)展。
隨著新型WCM噴嘴的開發(fā)，亨內(nèi)基公司憑借廣泛的工藝技術(shù)和客戶要求在其內(nèi)部WCM技術(shù)方面取得了重大進展。新型噴嘴與其他市售噴嘴的不同之處在于它具有改進的寬槽幾何結(jié)構(gòu)，可輕松更換并具有多種安全功能。開發(fā)WCM噴嘴時的重點是方便快捷的可維護性。這意味一個操作人員在數(shù)秒內(nèi)即可定位噴嘴或在維護期間輕松更換。
圖4 用于生產(chǎn)纖維增強聚氨酯型材的iPul生產(chǎn)線：在這條完整的生產(chǎn)線中，纖維浸漬在一個封閉的注射室中進行，這樣可以減少工作環(huán)境污染并提高生產(chǎn)速度（©克勞斯瑪菲）
個別操作的自動化也有助于縮短濕式模壓成型工藝的周期時間?？藙谒宫敺剖状瓮瞥隽巳詣踊慕鉀Q方案。配備針式抓爪的機器人收集纖維層并將它們送入操作臺，而配備混合頭（MK 10-2K-RTM）和寬槽噴嘴的搬運機器人開始涂抹PU基質(zhì)。然后，抓取機器人將纖維層放入模具并開始模壓和固化操作。該方案還使用了具有PU基質(zhì)的RimStar 8/4 RTM計量設(shè)備。
科思創(chuàng)、克勞斯瑪菲和亞琛工業(yè)大學(xué)塑料加工研究所（IKV）的一個聯(lián)合項目進一步開發(fā)了可擴大聚氨酯樹脂工業(yè)用途的拉擠成型工藝。這項工作獲得了FSK創(chuàng)新獎。還應(yīng)特別提及的是制造隔熱窗框和增強風機葉片強度的工藝成本效率得到了提高。在這一開發(fā)過程中，克勞斯瑪菲首次推出了交鑰匙拉擠生產(chǎn)線（最新的iPul系列），其中機器、工藝和模具技術(shù)均來自同一供應(yīng)商（圖4）。新的生產(chǎn)線不再通過敞口模具來浸漬纖維，而是通過在封閉的注射室里的計量設(shè)備進行。除了使拉擠成型機操作人員不再受氣味問題的困擾，新技術(shù)還可在固化過程中對溫度進行精確控制，從而提高生產(chǎn)速度。
聚氨酯4.0
在工業(yè)4.0的背景下，一些PU公司正致力于開發(fā)數(shù)字化產(chǎn)品和服務(wù)，而這將為不同工廠部件的交互帶來好處。
康隆正在推進多個有助于生產(chǎn)更靈活更快地適應(yīng)不同市場需求的項目。為此，該公司正在增加遠程監(jiān)控、預(yù)測性維護以及與其他生產(chǎn)設(shè)備的集成等功能。通過這一方式，PU加工公司的機器可通過監(jiān)測和控制來減少停機時間、提高產(chǎn)量并減少能耗。
科思創(chuàng)多年來一直在控制室中應(yīng)用數(shù)字技術(shù)，從而通過數(shù)字化工藝控制系統(tǒng)來控制內(nèi)部生產(chǎn)。對于汽車行業(yè)的客戶來說，通過填充模擬進行模具設(shè)計是常規(guī)做法。未來，整個價值鏈都將實現(xiàn)數(shù)字化，從PU系統(tǒng)配制、混合和加工到機器人部件搬運的所有工序都將能夠被模擬。這將大大縮短開發(fā)周期和一體化生產(chǎn)流程的實施。此外，科思創(chuàng)還可提供配備預(yù)測工具的數(shù)字服務(wù)平臺，它能夠根據(jù)特定生產(chǎn)環(huán)境在線確定最佳的PU配方和加工條件。
圖5 UltraSim：發(fā)泡模擬不僅能夠描述方向盤的加工情況，而且還能確定它們的機械性能（©巴斯夫）
在工藝設(shè)計和模擬領(lǐng)域，巴斯夫進一步擴展了其Ultrasim仿真工具，目前已能精確預(yù)測汽車方向盤制造過程中的發(fā)泡和固化情況（圖5）。該工具可計算出聚氨酯泡沫在模具中的關(guān)鍵化學(xué)反應(yīng)和流動特性。發(fā)泡模具的排氣性是一個極其重要的參數(shù)，生產(chǎn)過程需要通過不同的方法來確保這一點。小型排氣孔的設(shè)置旨在防止部件在發(fā)泡過程中產(chǎn)生會影響方向盤穩(wěn)定性和外觀的孔隙。填充模擬功能能夠準確預(yù)測可能出現(xiàn)的孔隙的位置和大小，從而減少所需的排氣孔數(shù)量并降低孔隙風險。
巴斯夫模擬工具還能夠計算密度分布情況，而這對于方向盤的觸感來說至關(guān)重要。為了預(yù)測部件各個地方的密度，材料模型經(jīng)過了進一步開發(fā)，從而能夠根據(jù)化學(xué)反應(yīng)、環(huán)境溫度變化、壓力和初期氣體濃度來詳細描述泡沫膨脹情況。它不僅能夠描述聚氨酯泡沫方向盤的加工情況，而且還能確定部件本身的機械性能，例如：剛度和硬度。
結(jié)論
材料生產(chǎn)商和機械制造商正在通過定制生產(chǎn)、可持續(xù)和資源節(jié)約型材料和工藝解決方案以及滿足工業(yè)4.0標準的數(shù)字化來迎接PU行業(yè)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在某些領(lǐng)域，這些措施已經(jīng)熱火朝開地展開了。而在某些領(lǐng)域，未來如何還有待加工公司如何利用技術(shù)和方法并新增哪些內(nèi)容。數(shù)字化領(lǐng)域還具有進一步發(fā)展的潛力，因為PU行業(yè)與其他塑料加工行業(yè)相比并不是該領(lǐng)域的先鋒。（文章來源于網(wǎng)絡(luò)）
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