0引言

冷鏈物流一般指冷藏冷凍類食品在生產(chǎn)、貯藏運(yùn)輸、銷售到消費(fèi)前的各個(gè)環(huán)節(jié)始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下，是保證食品質(zhì)量，減少食品損耗的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，目前，在我國(guó)市場(chǎng)上已呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。冷鏈物流中，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致貨物的腐敗和變質(zhì)，降低貨物的價(jià)值和可用性，而保溫材料可有效減少外界溫度變化對(duì)貨物的影響，提升冷鏈物流中貨物的保鮮效果。在實(shí)際應(yīng)用中，常見的設(shè)施設(shè)備保溫材料包括聚氨酯、聚苯乙烯、擠塑聚苯乙烯和聚丙烯泡沫塑料等。其性能不同，適用的場(chǎng)景也各不相同。本文對(duì)聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料、擠塑聚苯乙烯泡沫、膨脹聚苯板和發(fā)泡聚丙烯泡沫塑料的性能，及其在冷鏈設(shè)施設(shè)備中的應(yīng)用情況進(jìn)行了概述。

1聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料(PU)

聚氨酯(聚氨基甲酸酯，polyurethane, PU)是一種高分子化合物。1937年，德國(guó)化學(xué)家Otto Bayer首先研究開發(fā)了多元醇—異氰酸酯的加成路線合成聚氨酯；1945年，聚氨酯硬泡作為輕質(zhì)高強(qiáng)度夾層用于飛機(jī)制造；1951年，聯(lián)邦德國(guó)拜耳公司研制了發(fā)泡機(jī)及連續(xù)生產(chǎn)設(shè)備。隨后，美國(guó)及歐洲一些國(guó)家陸續(xù)開發(fā)引進(jìn)，并進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)；60年代中期，我國(guó)開始生產(chǎn)聚氨酯泡沫塑料，70年代，將其應(yīng)用于制冷設(shè)備，至今已有60多年的發(fā)展史[1][2][3]。

1.1 性能

聚氨酯泡沫塑料重量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐水、耐熱、耐燃及成型工藝簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的物理機(jī)械性能，是一種優(yōu)質(zhì)的絕熱、保溫、保冷材料，目前廣泛應(yīng)用于冷庫(kù)、冷藏車、冰箱和冷凍柜等制冷設(shè)備中。在低溫環(huán)境下，其機(jī)械強(qiáng)度一般不會(huì)下降，相反還可能有所提高，且尺寸穩(wěn)定性較好，不會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。

1.2 合成

聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料的主要原料包括多元醇、異氰酸酯、催化劑、發(fā)泡劑和泡沫穩(wěn)定劑等。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，為了操作簡(jiǎn)便，通常將發(fā)泡原料分為A、B兩組，并按配方制成兩種液體備用。A組(白料)成分為多元醇、催化劑、泡沫穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑；B組(黑料)成分為異氰酸酯。發(fā)泡時(shí)，將A、B兩組分按照所需的比例混合、攪拌，用手工發(fā)泡或機(jī)器發(fā)泡來(lái)完成泡沫塑料加工[4]。

1.3 在冷鏈物流設(shè)施設(shè)備中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著冷庫(kù)行業(yè)迅猛發(fā)展，組合式冷庫(kù)被普遍采用[5][6][7],以全新的建筑理念替代了原有冷庫(kù)類建造模式及運(yùn)營(yíng)方式。冷庫(kù)由復(fù)合夾芯板材組裝而成，方便、快捷。其中，復(fù)合夾芯板面材為彩鋼板等金屬材料，強(qiáng)度高，裝機(jī)后不易變形；芯板為聚氨酯硬泡。彩鋼夾芯板以連續(xù)法或非連續(xù)法生產(chǎn)，板材的寬度一般為(60～120)cm; 厚度根據(jù)冷庫(kù)的工作溫度決定(通常為(6～20)cm)。彩鋼板邊緣有企口縫結(jié)構(gòu)，組裝方便，且板與板之間使用彈性密封劑固定或在縫隙中注入硬泡原料液，反應(yīng)后縫中充滿硬泡。經(jīng)實(shí)用證明，在使用維護(hù)合理的情況下，25～30年內(nèi)冷庫(kù)壁面的絕熱效果不會(huì)明顯降低。此外，冷庫(kù)絕熱層可通過噴涂成型法制作聚氨酯硬泡，即首先砌好庫(kù)體外墻，在內(nèi)側(cè)噴上聚氨酯硬泡后，再做上內(nèi)壁。

冷藏集裝箱和冷藏保溫車是冷鏈物流的重要儲(chǔ)運(yùn)工具，目前，聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料是該領(lǐng)域保溫絕熱材料的首選，是提高冷鏈保鮮效果的關(guān)鍵，在節(jié)能減排方面具有較大貢獻(xiàn)。它是一種常見的冰箱級(jí)保溫材料[9],是采用聚氨酯硬泡作為保溫材料的冰箱和冰柜，絕熱層薄、有效容積大，可減輕電器的自重。

聚氨酯硬泡可制造性好，適用于注塑發(fā)泡、粘接、噴涂等工藝生產(chǎn)車體，被廣泛應(yīng)用于制冷汽車制造業(yè)[8]。由于其強(qiáng)度較高，澆注在冰箱的殼體和內(nèi)襯之間形成整體，不會(huì)存在“熱橋”,確保了優(yōu)異的絕熱效果。此外，還可用于便攜式保溫箱以及輸運(yùn)需低溫儲(chǔ)存的疫苗、生物制品、藥品和食品。

2擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(XPS)

聚苯乙烯泡沫塑料(Extruded Polystyrene, XPS)擠塑板是1944年美國(guó)McIntire發(fā)明，最早用于制造軍用救生艇。它是將聚苯乙烯樹脂、多種助劑、發(fā)泡劑在擠出機(jī)中混合、熔融、加壓、混煉，經(jīng)模頭擠出后壓力釋放，使發(fā)泡劑汽化形成微小氣泡，并包裹在聚苯乙烯膜泡內(nèi)，待冷卻定型后，形成截面均勻、閉孔蜂窩狀的板材。該結(jié)構(gòu)決定了優(yōu)異的保溫隔熱性能[10]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)冷鏈物流快速發(fā)展，XPS泡沫的需求較大，擠塑板已廣泛應(yīng)用于低溫儲(chǔ)藏地面[11]。它是通過將擠塑板鋪設(shè)在樓地板下方，有效減少熱量的傳輸，提高冷庫(kù)的保溫性能，具有獨(dú)特堅(jiān)硬緊密的晶體結(jié)構(gòu)、抗壓強(qiáng)度高、抗水蒸汽滲透性能強(qiáng)、性能穩(wěn)定、使用年限持久的等特點(diǎn)，因此，被國(guó)際上認(rèn)為是用于冷庫(kù)隔熱工程中的理想材料。此外，其壓縮強(qiáng)度高、價(jià)格適中，目前已成為我國(guó)冷庫(kù)地坪保溫材料的首選[12]。

由于保溫材料的保溫性能會(huì)隨吸水率的上升而下降(即水會(huì)加速傳熱速度),且吸水率高通常會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生老化分解現(xiàn)象，即水分子在保溫材料內(nèi)熱脹冷縮蒸發(fā)、凍結(jié)、解凍時(shí)，會(huì)造成結(jié)構(gòu)慢速分解老化，并隨著使用年限增加保溫層作用將逐漸消失。因此，目前的冷藏車專用擠塑板體積吸水率始終保持1%以下，且冷藏車幾乎不會(huì)吸水，大大提高了保溫效果。

3膨脹聚苯板(EPS)

聚苯乙烯泡沫(Expanded Polystyrene, EPS)是一種輕型高分子聚合物，是采用聚苯乙烯樹脂加入發(fā)泡劑，通過加熱進(jìn)行軟化，產(chǎn)生氣體，形成一種硬質(zhì)閉孔結(jié)構(gòu)的泡沫塑料。它由原料經(jīng)過預(yù)發(fā)、熟化、成型、烘干和切割等工藝制作而成，既可制成不同密度、不同形狀的泡沫制品，又可生產(chǎn)各種不同厚度的泡沫板材。隨著冷鏈物流運(yùn)輸?shù)娘w速發(fā)展，泡沫箱常用于生鮮運(yùn)輸和物品封裝。該泡沫箱大多采用EPS泡沫塑料制成的箱式包裝容器，且塑料泡沫內(nèi)部具有很多微小氣孔[10]。

聚苯乙烯板的保溫性能在建筑保溫領(lǐng)域中被廣泛認(rèn)可[13],由于在低溫環(huán)境下，其導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨溫度的下降而增加，造成保溫性能下降，導(dǎo)致冷庫(kù)內(nèi)溫度難以持續(xù)穩(wěn)定，在冷庫(kù)保溫領(lǐng)域中，與硬質(zhì)聚氨酯泡沫板和擠塑聚苯乙烯保溫板相比，保溫效果較差。同時(shí)，在低溫環(huán)境下，易受冷熱交替的影響，出現(xiàn)變形、破裂等，降低在冷庫(kù)保溫中的可靠性。因此，在冷庫(kù)保溫領(lǐng)域中并不是理想的選擇。但由于其價(jià)格低廉、保溫性能相對(duì)較好，因此，該材料制成的復(fù)合夾芯板仍被廣泛應(yīng)用于高溫冷藏庫(kù)。

4發(fā)泡聚丙烯泡沫塑料(EPP)

聚丙烯塑料發(fā)泡材料(Expanded Polypropylene, EPP)是一種性能卓越的高結(jié)晶型聚合物/氣體復(fù)合材料。它以獨(dú)特而優(yōu)越的性能，成為增長(zhǎng)最快的新型環(huán)?？箟壕彌_隔熱材料。此外，它還是一種環(huán)保材料，可回收循環(huán)利用。與EPS相比，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，極大地拓展了泡沫塑料的應(yīng)用場(chǎng)景[14]。

冷鏈上的EPP包裝主要用于海鮮、漁獲、蔬菜水果等保鮮冷藏運(yùn)輸[15],且很多冷庫(kù)、菜市場(chǎng)都使用EPP冷鏈箱進(jìn)行貨物轉(zhuǎn)運(yùn)。其具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)比其它類型的泡沫包裝更具環(huán)保性，且材料無(wú)毒無(wú)味，不會(huì)產(chǎn)生任何的有毒物質(zhì)，可直接與食物接觸，使用更加安全。(2)與同體積的包裝材料相比，質(zhì)量輕、強(qiáng)度大、耐用性好，可降低運(yùn)輸成本。(3)耐用性好、且易清洗，在冷鏈運(yùn)輸中，大多作為周轉(zhuǎn)箱，可多次重復(fù)使用，降低使用成本，減小對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。(4)材料本身可回收，具有可塑性，可通過重新加工后再次利用。(5)絕熱性能較好，能有效降低冷鏈物流箱內(nèi)的溫度流失，由于保鮮效果較好。因此，成為冷鏈運(yùn)輸中最受歡迎的選擇之一[16]。

5保溫材料的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 綠色環(huán)保材料

冷鏈設(shè)施設(shè)備的保溫層材料通常沒有再回收利用價(jià)值，只能當(dāng)作垃圾扔掉，且不能被降解。近年來(lái)，隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，綠色環(huán)保型聚氨酯泡沫塑料已逐漸成為各國(guó)研開的熱點(diǎn)。其中，開發(fā)可生物降解的零ODP聚氨酯泡沫塑料符合行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)[17];可生物降解聚氨酯泡沫塑料具有可生物降解和保護(hù)臭氧層的特點(diǎn)。此外，生產(chǎn)過程中使用安全無(wú)毒的發(fā)泡劑，可有效減少能耗和污染物的排放，開發(fā)以植物纖維為主要原料的綠色環(huán)保材料將是保溫材料的發(fā)展趨勢(shì)。

5.2 超絕熱材料

超絕熱材料主要分為真空絕熱材料和納米氣凝膠絕熱材料。其中，真空絕熱材料由填充芯材和真空保護(hù)表層構(gòu)成，能有效避免空氣對(duì)流引起的熱傳遞，使導(dǎo)熱系數(shù)大幅度降低，可達(dá)(0.002～0.004)W/m·K,是傳統(tǒng)保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的十分之一，不僅可節(jié)能，而且可增加冷鏈設(shè)備有效容積；納米氣凝膠保溫材料是一種具有高度孔隙結(jié)構(gòu)的材料，主要由納米顆粒和氣體組成，可用更輕的質(zhì)量、更小的體積達(dá)到等效的隔熱效果，具有較好的熱穩(wěn)定性、耐熱沖擊性、低導(dǎo)熱系數(shù)，且質(zhì)量輕、強(qiáng)度高。