التغيرات في اللزوجة والمرونة أثناء عملية رغوة رغوة البولي يوريثان

لفهم آلية تكوين الرغوة، من الضروري فهم التغيرات اللزجة والمرنة لمواد البولي يوريثان أثناء تكوين الرغوة. عند تحضير رغوة البولي يوريثان المرنة، تخضع المواد الخام السائلة في البداية لزيادة سريعة في اللزوجة حيث أنها تولد فقاعات من خلال التفاعل، وتتحول تدريجياً إلى مادة غروانية، ثم تتطور إلى بوليمر عالي المرونة. وبالمثل، تتشكل رغوة البولي يوريثان الصلبة عندما تتجمد المواد الخام السائلة لتشكل بوليمر متصلد بالحرارة. تعتبر التغيرات في اللزوجة والمرونة لهذه المواد حاسمة بالنسبة لبنية الرغوة واستقرارها.

أثناء تكوين رغوة البولي يوريثان المرنة، يحدث تغييران متزامنان في النظام:

يؤدي توليد الغاز إلى توسع ونمو المادة من خلال تكوين فقاعات ترتفع داخل النظام.

تخضع المواد الخام لتفاعلات حيث تنمو السلاسل الجزيئية وتتفرع وتتشابك، مما يحول المادة السائلة في البداية إلى بوليمر لدن بالحرارة عالي اللزوجة وقابل للذوبان ووزن جزيئي معتدل. تؤدي التفاعلات الإضافية إلى التفرع والتشابك، وزيادة الوزن الجزيئي والانتقال من الهياكل الجزيئية الخطية إلى الهياكل الجزيئية الشبكية. في الحالة المثالية، يُظهر هيكل الشبكة الحد الأدنى من اللزوجة، مع لزوجة ديناميكية تقترب من الصفر تقريبًا.

قامت الأبحاث باستخدام مقاييس الرنين التذبذبية بدراسة تغيرات اللزوجة والمرونة أثناء رغوة بولي إيثر ما قبل البوليمر، مما يكشف عن الاتجاهات في تكوين الرغوة كما هو موضح في الرسم البياني التالي.

في حين أن هذه الاختلافات في المنحنى قد تختلف قليلاً عن تلك التي لوحظت في إنتاج الرغاوي الصناعية، إلا أنها تعكس اتجاهات مماثلة في تكوين رغاوي البولي يوريثان، مما يوفر رؤى عملية. استنادًا إلى القياسات، يبلغ الوقت اللازم للوصول إلى أقصى ارتفاع للرغوة حوالي 7 دقائق (25 دقيقة في الإنتاج الفعلي لرغوة البولي يوريثان المرنة القائمة على البولي إيثر مسبقًا)، ويبلغ الحد الأقصى لللزوجة الديناميكية ذروتها حوالي 10 دقائق، يليها انخفاض، ويستغرق تحقيق أقصى قدر من المرونة حوالي 10 دقائق تقريبًا. 100 دقيقة.

ويوضح الرسم البياني أيضًا أنه أثناء توليد الغاز، يتجاوز حجم الغاز الناتج باستمرار نمو حجم الرغوة. في المراحل النهائية من توليد الغاز بشكل كبير، على الرغم من أن اللزوجة الديناميكية لجدران الفقاعات تزداد بسرعة، مما يجعل تدفقها صعبًا، إلا أن منحنى نمو المرونة يظل في مرحلة نمو بطيء. في هذه المرحلة، تفشل جدران الفقاعات في تلبية متطلبات تمدد الغاز، مما يؤدي إلى تمزق جدران الفقاعات وهروب الغاز، وتشكيل هيكل رغوي ذو خلية مفتوحة.

إذا كان نمو الوزن الجزيئي للنظام بطيئًا، خلال ذروة توليد الغاز، وكانت قوة جدران الخلايا الرغوية وإطار الشبكة غير كافية لتحمل ضغط تمدد الغاز، فإن جدران الرغوة ستتمزق حتمًا. نظرًا لانخفاض طاقة التنشيط اللازمة لتشقق جدار الرغوة، فإنها بمجرد أن تبدأ، فإنها تنتشر بشكل أكبر، مما يؤدي إلى تسريع تمدد الرغوة بالكامل والتسبب في انهيار الرغوة. تؤدي التمزقات المستمرة الموضعية إلى هياكل رغوية مجوفة أو متشققة.

لذلك، فإن التحكم في حدوث التأثيرات الضارة مثل هياكل الرغوة المجوفة أو المتشققة في رغوة البولي يوريثان يتضمن في المقام الأول التحكم في معدلات تفاعل توليد الغاز ونمو الوزن الجزيئي، أي معدلات تفاعل الهلام.

في عملية إنتاج البلاستيك الرغوي من البولي يوريثان المكونة من خطوة واحدة، يتم تحقيق التوازن بين تفاعلات الرغوة وتفاعلات الهلام لنمو السلسلة الجزيئية من خلال تغيير نوع وكمية المحفزات المستخدمة.

تكشف الدراسات الأساسية عن المحفزات أن المركبات الأمينية تضبط في المقام الأول التفاعل بين الأيزوسيانات والماء، مما يحفز توليد غاز ثاني أكسيد الكربون وتفاعلات النمو المتسلسلة. تعمل محفزات القصدير العضوية بشكل أساسي على تعزيز التفاعل بين مركبات الأيزوسيانات والهيدروكسيل، مما يحفز تفاعلات نمو سلسلة البوليمر.

يؤثر ضبط جرعة هذين النوعين من المحفزات بشكل كبير على تحضير رغوة البولي يوريثان. على سبيل المثال، عندما يتم تقليل كمية محفز القصدير العضوي، يتباطأ معدل النمو الجزيئي للبوليمر، مما يقلل من مرونة جدار الخلية الرغوية ويجعلها عرضة لتشكيل هياكل الخلايا المفتوحة.

من خلال زيادة كمية محفز القصدير العضوي بشكل مناسب أو تقليل كمية محفز الأمين العضوي، يمكن تعزيز قوة جدران خلايا الرغوة في مرحلة ذروة توليد الغاز، مما يقلل حدوث فراغات الرغوة أو التشقق. وبالتالي، فإن جرعة محفز القصدير العضوي لها تأثير كبير وحساس على بنية الرغوة.

في ظل ظروف الصياغة العادية، تؤدي جرعة محفز القصدير العضوي غير الكافية إلى تكوين رغوة مجوفة، بينما تعمل الجرعة المناسبة على موازنة تفاعلات توليد الغاز وتفاعلات الهلام، مما يشكل هياكل رغوة دقيقة ومفتوحة الخلية. ومع ذلك، فإن الجرعة العالية بشكل مفرط تسرع معدلات نمو سلسلة البوليمر، وتزيد من قوة جدار الخلية الرغوية، وتؤدي إلى تكوين عدد كبير من هياكل الرغوة ذات الخلايا المغلقة.

باستخدام 3000 وزن جزيئي ثلاثي هيدروكسي بولي إيثر بوليول كمادة خام واستخدام عملية رغوة بخطوة واحدة، تمت دراسة تأثير جرعة المحفز الموسع ثنائي بوتيلتين على بنية خلية الرغوة بشكل خاص، كما هو موضح في الرسم البياني التالي.

النتائج مشابهة لتلك التي تمت مناقشتها سابقًا. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ أن:

تُظهر الرغاوي ذات المسام الكبيرة قدرًا أكبر من التحمل لمحفزات القصدير العضوية مقارنةً برغاوي المسام الصغيرة ومن المرجح أن تشكل هياكل ذات خلايا مفتوحة.

تم التحقق من صحة الاستنتاجات المتعلقة بتكوين الخلايا المغلقة بناءً على معدلات نمو البوليمر ودرجة التفرع في الإنتاج العملي. تشكل المواد ذات التفرع العالي هياكل شبكية بسرعة، مما يزيد من احتمال المرونة الجزيئية. وفي ظل الظروف الثابتة، تؤدي زيادة نشاط الأيزوسيانات أيضًا إلى زيادة معدل الرغوة في الخلايا المغلقة. وبالمثل، فإن زيادة درجة التفرع لبوليمرات البوليول تظهر ميلًا مشابهًا. على سبيل المثال، استخدمت الواردات الأمريكية المبكرة من تكنولوجيا إنتاج رغاوي البولي يوريثان من ألمانيا 80/20 TDI مع نشاط أعلى، لتحل محل تركيبة 63/35 TDI الأصلية. وبسبب النشاط العالي لهذا الإيزوسيانات، زاد معدل نمو سلسلة البوليمر، مما أدى إلى انكماش شديد في الرغوة. وفي وقت لاحق، أدى التعويض ببوليولات بولي إيثر منخفضة التفرع إلى حل مشكلة الانكماش الشديد للرغوة.

بالاشتراك مع الرسم البياني الأول، يمكن ملاحظة التغيرات في بنية الرغوة بسبب معدلات متفاوتة لنمو اللزوجة الديناميكية (المنحنى A) ونمو المرونة (المنحنى B) في ظل معدلات توليد الغاز الثابتة.

إن زيادة المنحنى A، أي زيادة معدل نمو اللزوجة الديناميكية، له تأثير ضئيل عندما تكون الزيادة صغيرة. ومع ذلك، فإن الزيادة الكبيرة في سماكة جدار الخلية الرغوية، تؤدي إلى تكوين بنية الخلية المغلقة.

يؤدي تقليل معدل نمو اللزوجة الديناميكية (خفض المنحنى A) إلى إطالة قابلية تدفق جدران الخلايا الرغوية، مما يزيد من احتمالية تكوين الخلايا المغلقة. إذا حدث الانخفاض في اللزوجة الديناميكية بسرعة كبيرة جدًا، فقد يؤدي ذلك إلى جدران خلايا رغوية رفيعة جدًا، وتمزق الفقاعات المبكرة، وانهيار الرغوة.

زيادة معدل نمو مرونة الفقاعة (رفع المنحنى B) يعزز تكوين بنية الخلية المغلقة.

يؤدي خفض معدل نمو مرونة الفقاعة (خفض المنحنى B) إلى عدم كفاية القوة في شبكة الفقاعات، مما يتسبب في تمزق جدران الفقاعات تحت ضغط تمدد الغاز وانتشاره لاحقًا، مما يؤدي إلى رغوة مجوفة أو منهارة.

على عكس المواد البلاستيكية الرغوية المرنة، تتطلب المواد البلاستيكية الرغوية الصلبة من البولي يوريثان أجسامًا رغوية ذات قوة جدار فقاعية عالية وهياكل ذات خلايا مغلقة. ولذلك، عند اختيار المواد، يفضل استخدام البوليمرات ذات الهياكل المتفرعة العالية لضمان قوة كافية لجدار الرغوة وإنتاج منتجات رغوية ذات ثبات جيد للأبعاد.