聚氨酯硬質泡沫塑料噴涂保溫技術在消防車上的應用

石清

上海格拉曼國際消防裝備有限公司 上海 201600

隨著軍民融合發展不斷深入，民用消防車裝備開始直接參與陸軍、海軍、空軍等國家機關的招標活動。這對消防車裝備的環境適應性提出了更高的要求，要求消防車的工作氣候極值（地面氣溫極值等）和貯存氣候極值（氣溫極值、溫度極值）符合有關國家軍用標準的規定[1]。

目前，國內民用消防車的容罐、骨架基本采用薄鋼板、鋁板作為外蒙皮材料，由于金屬薄板的導熱系數較大，導致消防車熱損失較大。另外，設置有罐體的消防車主要裝載水和泡沫液，所載液體冰點在 0℃，罐體液體在極限低溫環境（例如-40℃）下較長時間工作和貯存極易結冰，影響消防車的作業性能，滿足不了軍用產品使用要求，除了產品的耐寒設計（例如增加加熱裝置、管路清理余水裝置）外，容罐和骨架的噴涂保溫技術尤為重要。借鑒客車聚氨酯硬質泡沫塑料噴涂工藝[2],采用現場發泡成型技術，具有操作簡便靈活等特點，不受部位限制，發泡成型速度快，滿足批量化生產要求。

1 聚氨酯硬質泡沫塑料

聚氨酯硬質泡沫塑料是一種以聚氨酯為原料的泡沫塑料，簡稱聚氨酯硬泡，聚氨酯硬泡多為閉孔結構，具有絕熱效果好、質量輕、比強度大、施工方便等優良特性，廣泛用于建筑面墻體、冷藏車、冷庫、金屬儲罐等行業，一般而言，較低密度的聚氨酯硬泡主要用作隔熱（保溫）材料，較高密度的聚氨酯硬泡可用作結構材料（仿木材）。

選用巴斯夫Elastospary CH聚氨酯硬泡，其廣泛應用于建筑物屋面、墻體等，在-50℃～100℃之間性能穩定，滿足消防車工作和貯存極限溫度要求；經踩踏對比驗證，選用密度≥45 kg/m3噴涂泡沫，能夠承受有限承載，滿足消防車頂部人員作業的承載要求，其主要物理性能和技術指標見表1。

表1 主要物理性能和技術指標

1.1 噴涂原料

聚氨酯硬泡是由多元醇（工業上簡稱A料或白料）和異氰酸酯（工業上簡稱B料或黑料）通過放熱反應生成，整個過程可分為乳白期、凝膠期和熟化期，1～10 s快速發泡，24 h熟化，適用于大批量連續發泡作業，多元醇和異氰酸酯主要成份如下：

a.CH1612/18 C-A多元醇是以HCFC-141b發泡體系的多元醇組合料，含多元醇、發泡劑、催化劑、泡沫穩定劑和阻燃劑等，外觀為橙色粘性液體，密度1.1±0.05 g/cm3。

b.CH2062 C-B異氰酸酯是一種不含溶劑的產品，其主要成分是二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）及其異構體和低聚物，外觀為棕色液體，密度1.23±0.05 g/cm3。

1.2 噴涂設備

聚氨酯硬泡噴涂設備操作比較簡便，使用時將供料泵分別放置于A、B料桶中，A、B料經增壓泵增壓、原料加熱器加熱后，按1:1比例輸送到噴槍混合室，再經過壓縮空氣攪拌后，從噴槍噴嘴中噴射到工件表面，從而完成發泡工作，設備原理簡圖如圖1所示。

圖1 設備原理簡圖

這里介紹了固瑞克3種不同驅動方式的噴涂發泡設備，其主要性能指標見表2。

表2 美國固瑞克3種型號的主要性能指標

1.3 噴涂工藝流程

以消防車容罐、器材箱、泵房為例，主要工藝流程如下：

清除工件外表面油污、灰塵→管口、安裝面等部位防護→噴涂環氧防腐漆→噴涂聚氨酯硬泡→修整外表面→粘貼蒙皮。

2 技術經濟分析

2.1 設定條件

a.消防車的平均行駛速度：50 km/h；

b.消防車圍護結構外部溫度為-40 ℃，其內部溫度初設定為5℃；

c.消防車容罐里的液體（水）滿足1小時溫降≤5 ℃；

d.不考慮太陽輻射影響。

2.2 導熱系數

各種材料的導熱系數從工程手冊等資料中獲取(見表3)。

表3 各種材料的導熱系數

2.3 圍護結構參數

泡沫消防車結構包含底盤、器材箱、容罐和泵房等，容罐前后端分別與器材箱和泵房連接，一并通過副梁連接在汽車底盤上。按照泡沫消防車的使用功能，在極限低溫環境工作和貯存時，車身壁面傳熱主要集中在器材箱、容罐和泵房外表面，即消防車車身圍護結構是以器材箱、容罐和泵房為主，其結構簡化為長方體，以7t消防車為例，器材箱、容罐和泵房的圍護結構外形尺寸依次為：1 500×2 500×1 700，mm；2 300×2 500×1 500，mm；1 500×2 500×1 700，mm；圍護結構參數見表4所示。

表4 消防車圍護結構參數

2.4 圍護結構傳熱系數計算

圍護結構主要由多層各種材料板組成，包括鋁板、不銹鋼板、聚氨酯硬泡等，所以圍護結構的傳熱系數K，按照多層壁傳熱計算[4]：

式中，V為消防車行駛速度，取V=13.89m/s；

根據式（1）和式（2）計算關系式，查手冊換算kJ與W×h（即1 W×h=3.6 kJ）[5]，代入計算參數，所得計算結果見表5。

表5 聚氨酯硬泡傳熱系數計算結果

計算結果表明，噴涂聚氨酯硬泡后，消防車圍護結構的傳熱系數明顯降低，隨著聚氨酯硬泡厚度的增加，容罐圍護結構的傳熱系數降低速率趨緩。

2.5 圍護結構傳熱計算

不考慮太陽輻射熱影響時，在穩定傳熱條件下，泡沫消防車圍護結構傳熱Q可表達為[4]：

式中，Q為圍護結構傳熱量，W；K為傳熱系數，W/m2×K；F為傳熱面積，m2；tH為圍護結構外溫度，℃；tB為圍護結構內溫度，℃。

根據式（3）計算關系式，代入計算參數，所得計算結果見表6所示。

表6 聚氨酯傳熱計算結果

2.6 熱平衡分析

按照設定條件，泡沫消防車置于低溫環境中，環境溫度（-40℃）低于圍護結構內部溫度（5℃），容罐里的液體（水）不斷向外放出熱量，即單位時間（1h）容罐里的液體（水）溫度降低小于5℃時，能滿足容罐里的液體（水）不結冰，容罐里的液體（水）的放熱可表達為：

式中：c為水的比熱容，c=4.2 kJ/(kg·℃)；DT為放熱溫度變化，℃；Q放為放熱，kJ；m為液體（水）質量，kg。

容罐載液（水）量分別在5 000 kg、1000 kg、500 kg、200 kg情況下，根據式（4）所示計算方法，溫度變化取5 ℃，查手冊換算為W×h（即1W×h=3.6 kJ）[5]，代入計算得出放熱分別為29 167 W·h、5 833 W·h、2 917 W·h、1 167 W·h。

按照熱平衡定律，當Q放>Q時，外圍結構有著較好的保溫效果。對比表6消防車圍護結構傳熱量Q和容罐不同載液量的放熱Q放，選擇噴涂40 mm厚聚氨酯硬泡，均能起到很好的保溫效果，滿足使用要求。

2.7 成本分析

按照聚氨酯硬泡密度45kg/m3，A、B料混合比例1:1，A、B料單價20元/kg，計算得出聚氨酯硬泡材料消耗定額及成本(見表7)。

表7 聚氨酯硬泡材料消耗定額及成本

通過成本數據分析，噴涂不同厚度的聚氨酯硬泡，單臺成本分別為1 839元、3 677元、5 516元，每增加20 mm厚度，成本增加約50%，在滿足保溫性能的同時，選擇40 mm厚聚氨酯硬泡具有較高的性價比。

3 結 語

聚氨酯硬泡噴涂工藝，具有操作簡便、發泡成型快，適合連續不間斷作業，滿足工廠化中、小批量生產需求；聚氨酯硬泡具有質量輕、強度高、附著力強、隔熱保溫性能好、防水和阻燃性能優異，在滿足消防車一般工作和貯存環境要求的同時，亦能適應極寒地區的工作和貯存環境要求。

綜上所述，聚氨酯硬質泡沫塑料噴涂保溫技術在技術經濟性上是可行的，在消防車行業，特別是軍選民用消防車上應用前景廣闊。