聚氨酯硬质泡沫塑料喷涂保温技术在消防车上的应用

石清

上海格拉曼国际消防装备有限公司 上海 201600

随着军民融合发展不断深入，民用消防车装备开始直接参与陆军、海军、空军等国家机关的招标活动。这对消防车装备的环境适应性提出了更高的要求，要求消防车的工作气候极值（地面气温极值等）和贮存气候极值（气温极值、温度极值）符合有关国家军用标准的规定[1]。

目前，国内民用消防车的容罐、骨架基本采用薄钢板、铝板作为外蒙皮材料，由于金属薄板的导热系数较大，导致消防车热损失较大。另外，设置有罐体的消防车主要装载水和泡沫液，所载液体冰点在 0℃，罐体液体在极限低温环境（例如-40℃）下较长时间工作和贮存极易结冰，影响消防车的作业性能，满足不了军用产品使用要求，除了产品的耐寒设计（例如增加加热装置、管路清理余水装置）外，容罐和骨架的喷涂保温技术尤为重要。借鉴客车聚氨酯硬质泡沫塑料喷涂工艺[2],采用现场发泡成型技术，具有操作简便灵活等特点，不受部位限制，发泡成型速度快，满足批量化生产要求。

1 聚氨酯硬质泡沫塑料

聚氨酯硬质泡沫塑料是一种以聚氨酯为原料的泡沫塑料，简称聚氨酯硬泡，聚氨酯硬泡多为闭孔结构，具有绝热效果好、质量轻、比强度大、施工方便等优良特性，广泛用于建筑面墙体、冷藏车、冷库、金属储罐等行业，一般而言，较低密度的聚氨酯硬泡主要用作隔热（保温）材料，较高密度的聚氨酯硬泡可用作结构材料（仿木材）。

选用巴斯夫Elastospary CH聚氨酯硬泡，其广泛应用于建筑物屋面、墙体等，在-50℃～100℃之间性能稳定，满足消防车工作和贮存极限温度要求；经踩踏对比验证，选用密度≥45 kg/m3喷涂泡沫，能够承受有限承载，满足消防车顶部人员作业的承载要求，其主要物理性能和技术指标见表1。

表1 主要物理性能和技术指标

1.1 喷涂原料

聚氨酯硬泡是由多元醇（工业上简称A料或白料）和异氰酸酯（工业上简称B料或黑料）通过放热反应生成，整个过程可分为乳白期、凝胶期和熟化期，1～10 s快速发泡，24 h熟化，适用于大批量连续发泡作业，多元醇和异氰酸酯主要成份如下：

a.CH1612/18 C-A多元醇是以HCFC-141b发泡体系的多元醇组合料，含多元醇、发泡剂、催化剂、泡沫稳定剂和阻燃剂等，外观为橙色粘性液体，密度1.1±0.05 g/cm3。

b.CH2062 C-B异氰酸酯是一种不含溶剂的产品，其主要成分是二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）及其异构体和低聚物，外观为棕色液体，密度1.23±0.05 g/cm3。

1.2 喷涂设备

聚氨酯硬泡喷涂设备操作比较简便，使用时将供料泵分别放置于A、B料桶中，A、B料经增压泵增压、原料加热器加热后，按1:1比例输送到喷枪混合室，再经过压缩空气搅拌后，从喷枪喷嘴中喷射到工件表面，从而完成发泡工作，设备原理简图如图1所示。

图1 设备原理简图

这里介绍了固瑞克3种不同驱动方式的喷涂发泡设备，其主要性能指标见表2。

表2 美国固瑞克3种型号的主要性能指标

1.3 喷涂工艺流程

以消防车容罐、器材箱、泵房为例，主要工艺流程如下：

清除工件外表面油污、灰尘→管口、安装面等部位防护→喷涂环氧防腐漆→喷涂聚氨酯硬泡→修整外表面→粘贴蒙皮。

2 技术经济分析

2.1 设定条件

a.消防车的平均行驶速度：50 km/h；

b.消防车围护结构外部温度为-40 ℃，其内部温度初设定为5℃；

c.消防车容罐里的液体（水）满足1小时温降≤5 ℃；

d.不考虑太阳辐射影响。

2.2 导热系数

各种材料的导热系数从工程手册等资料中获取(见表3)。

表3 各种材料的导热系数

2.3 围护结构参数

泡沫消防车结构包含底盘、器材箱、容罐和泵房等，容罐前后端分别与器材箱和泵房连接，一并通过副梁连接在汽车底盘上。按照泡沫消防车的使用功能，在极限低温环境工作和贮存时，车身壁面传热主要集中在器材箱、容罐和泵房外表面，即消防车车身围护结构是以器材箱、容罐和泵房为主，其结构简化为长方体，以7t消防车为例，器材箱、容罐和泵房的围护结构外形尺寸依次为：1 500×2 500×1 700，mm；2 300×2 500×1 500，mm；1 500×2 500×1 700，mm；围护结构参数见表4所示。

表4 消防车围护结构参数

2.4 围护结构传热系数计算

围护结构主要由多层各种材料板组成，包括铝板、不锈钢板、聚氨酯硬泡等，所以围护结构的传热系数K，按照多层壁传热计算[4]：

式中，V为消防车行驶速度，取V=13.89m/s；

根据式（1）和式（2）计算关系式，查手册换算kJ与W×h（即1 W×h=3.6 kJ）[5]，代入计算参数，所得计算结果见表5。

表5 聚氨酯硬泡传热系数计算结果

计算结果表明，喷涂聚氨酯硬泡后，消防车围护结构的传热系数明显降低，随着聚氨酯硬泡厚度的增加，容罐围护结构的传热系数降低速率趋缓。

2.5 围护结构传热计算

不考虑太阳辐射热影响时，在稳定传热条件下，泡沫消防车围护结构传热Q可表达为[4]：

式中，Q为围护结构传热量，W；K为传热系数，W/m2×K；F为传热面积，m2；tH为围护结构外温度，℃；tB为围护结构内温度，℃。

根据式（3）计算关系式，代入计算参数，所得计算结果见表6所示。

表6 聚氨酯传热计算结果

2.6 热平衡分析

按照设定条件，泡沫消防车置于低温环境中，环境温度（-40℃）低于围护结构内部温度（5℃），容罐里的液体（水）不断向外放出热量，即单位时间（1h）容罐里的液体（水）温度降低小于5℃时，能满足容罐里的液体（水）不结冰，容罐里的液体（水）的放热可表达为：

式中：c为水的比热容，c=4.2 kJ/(kg·℃)；DT为放热温度变化，℃；Q放为放热，kJ；m为液体（水）质量，kg。

容罐载液（水）量分别在5 000 kg、1000 kg、500 kg、200 kg情况下，根据式（4）所示计算方法，温度变化取5 ℃，查手册换算为W×h（即1W×h=3.6 kJ）[5]，代入计算得出放热分别为29 167 W·h、5 833 W·h、2 917 W·h、1 167 W·h。

按照热平衡定律，当Q放>Q时，外围结构有着较好的保温效果。对比表6消防车围护结构传热量Q和容罐不同载液量的放热Q放，选择喷涂40 mm厚聚氨酯硬泡，均能起到很好的保温效果，满足使用要求。

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料单价20元/kg，计算得出聚氨酯硬泡材料消耗定额及成本(见表7)。

表7 聚氨酯硬泡材料消耗定额及成本

通过成本数据分析，喷涂不同厚度的聚氨酯硬泡，单台成本分别为1 839元、3 677元、5 516元，每增加20 mm厚度，成本增加约50%，在满足保温性能的同时，选择40 mm厚聚氨酯硬泡具有较高的性价比。

3 结 语

聚氨酯硬泡喷涂工艺，具有操作简便、发泡成型快，适合连续不间断作业，满足工厂化中、小批量生产需求；聚氨酯硬泡具有质量轻、强度高、附着力强、隔热保温性能好、防水和阻燃性能优异，在满足消防车一般工作和贮存环境要求的同时，亦能适应极寒地区的工作和贮存环境要求。

综上所述，聚氨酯硬质泡沫塑料喷涂保温技术在技术经济性上是可行的，在消防车行业，特别是军选民用消防车上应用前景广阔。