كيفية تحديد جرعة الماء في تركيبات رغوة البولي يوريثان المرنة؟

يشير مصطلح الرغوة التقليدية التي تمت مناقشتها في هذه المقالة بشكل أساسي إلى رغوة البولي يوريثان المرنة التقليدية المنتجة باستخدام بولي إيثر بوليول تقليدي بقيمة هيدروكسيل تبلغ حوالي 56 ووزن جزيئي يبلغ حوالي 3000، بالإضافة إلى TDI-80.

1. ضبط كثافة الرغوة بالماء و MC

في هذه التركيبة، يتفاعل مول واحد، أو 18 غراماً، من الماء لإنتاج مول واحد، أو 22.4 لتراً، من ثاني أكسيد الكربون. وينتج مول واحد، أو ما يقارب 85 غراماً، من مادة MC 22.4 لتراً من بخار MC بعد التبخر.

كما يتأثر الحجم الفعلي الذي تساهم به هذه الغازات أثناء تطور الرغوة واستقرارها بعوامل مثل معدل التفاعل ودرجة حرارة الرغوة الداخلية وسلوك تبخر MC.

لذلك، فإن كمية الماء المستخدمة في تركيبة الرغوة التقليدية ليست ثابتة بالضرورة.

عندما تكون التركيبة الرئيسية الأخرى وظروف المعالجة متشابهة، ويتم تعديل جرعة TDI وفقًا لمستوى الماء ومؤشر TDI المستهدف، فإن تركيبات مثل 3.7 أجزاء ماء + 9 أجزاء MC، و3.8 أجزاء ماء + 8 أجزاء MC، و3.9 أجزاء ماء + 7 أجزاء MC، يمكن أن تعمل جميعها في ظل ظروف معالجة مناسبة. كما يمكنها إنتاج رغوة بكثافات متقاربة، على الرغم من اختلاف جرعة الماء.

2. ضبط التوازن الحراري باستخدام الماء و MC

ينتج عن تفاعل الماء مع ثنائي أيزوسيانات التولوين (TDI) حرارة، بينما يمتص مركب الميثيل كربونات (MC) الحرارة أثناء التبخر. لذا، يُعد ضبط كميات الماء ومركب الميثيل كربونات وسيلة مهمة للتحكم في التوازن الحراري داخل الرغوة.

باستخدام نفس الصيغ الثلاث كأمثلة:

• الصيغة 1: 3.7 أجزاء ماء + 9 أجزاء MC؛
• الصيغة 2: 3.8 أجزاء ماء + 8 أجزاء MC؛
• التركيبة 3: 3.9 أجزاء ماء + 7 أجزاء MC.

يمكن استخدام التركيبات الثلاث جميعها في ظل ظروف معالجة مناسبة، وتنتج رغوة ذات كثافة متقاربة، إلا أن أحمالها الحرارية تختلف. عموماً، تتميز التركيبة الأولى بأقل حمل حراري، تليها التركيبة الثانية، بينما تتميز التركيبة الثالثة بأعلى حمل حراري.

يؤثر التوازن الحراري داخل الرغوة بشكل أكبر على درجة الحرارة الداخلية القصوى، ومعدل التفاعل الكلي، ووقت النفخ.

في ظل ظروف مماثلة من محفز الأمين، ومحفز القصدير، ومؤشر TDI، ستظهر الصيغة 1 عادةً درجة حرارة داخلية قصوى أقل، وتفاعلًا إجماليًا أبطأ، ووقت تفريغ أطول نسبيًا.

3. يؤثر كل من الماء ونظام التحفيز معًا على التفاعل

تتميز بوليولات البولي إيثر التقليدية المستخدمة في هذا النوع من الرغوة بانخفاض تفاعليتها نسبياً، لذا فإن تفاعلها مع مادة TDI يسير ببطء نسبياً.

أما في تركيبات الرغوة التقليدية متوسطة ومنخفضة الكثافة، فتكون كميات الماء ومركب TDI مرتفعة نسبياً. ولذلك، تُعدّ التفاعلات بين الماء ومركب TDI، بما في ذلك تكوّن اليوريا لاحقاً، مصدراً مهماً للحرارة داخل الرغوة.

تؤثر المحفزات الأمينية بشكل كبير على تفاعل نفخ الماء مع ثنائي أيزوسيانات التولوين، وعلى توازن التفاعل الكلي. لذا، في تركيبات الرغوة التقليدية، يجب تعديل جرعة الماء بالتزامن مع المحفزات الأمينية، والمحفزات القصديرية، وظروف التفاعل الأخرى.

4. التحليل الساكن والديناميكي

تتناول الأقسام الثلاثة الأولى بشكل أساسي العلاقات بين الماء، ومحتوى الرطوبة، وسلوك التفاعل من منظور ثابت نسبيًا. ومع ذلك، في عملية تكوين الرغوة الفعلية، يجب فهم هذه العوامل أيضًا بشكل ديناميكي.

تتمثل العملية الديناميكية الأولى في التوازن بين الحرارة المتولدة من تفاعل الماء مع ثنائي أيزوسيانات التولوين والحرارة التي يمتصها MC أثناء التبخر. وتؤثر درجة حرارة المادة ونظام التحفيز ومعدل التفاعل الكلي على كيفية تطور الحرارة داخل الرغوة خلال هذه المرحلة.

تتمثل العملية الديناميكية الثانية في التمدد المستمر للرغوة. فمع ازدياد حجم الرغوة، يستمر MC في التبخر وامتصاص الحرارة، بينما تنقل الرغوة الحرارة أيضًا إلى محيطها. ويمكن لهذه العمليات أن تبطئ من معدل ارتفاع درجة حرارة الرغوة الداخلية بفعل حرارة التفاعل.

تتمثل العملية الديناميكية الثالثة في الارتفاع الكلي لدرجة حرارة الرغوة الداخلية مع استمرار التفاعلات الطاردة للحرارة. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد معدلات التفاعلات المختلفة، بينما تخضع الغازات داخل الرغوة لتمدد حراري. في ظل ظروف تقريبية، على سبيل المثال، يتمدد غاز مُسخّن من 20 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية إلى حوالي 1.27 ضعف حجمه الأصلي.

استنادًا إلى الخبرة المكتسبة من تركيبات الرغوة التقليدية ذات الكثافة المماثلة المستخدمة في مناطق مختلفة، غالبًا ما يكون أحد الاختلافات الملحوظة هو النسبة بين الماء وMC. ويمكن بعد ذلك تعديل نظام المحفز الأميني لمراعاة الاختلافات في المواد الخام والظروف المحلية وبيئات الإنتاج.

في الإنتاج الفعلي، يتمثل أحد الاختلافات الملحوظة في التركيبة بين الرغوة الأفقية والرغوة الرأسية في أن نسبة الماء إلى MC غالباً ما تكون مختلفة.

في عملية التشكيل الرغوي العمودي، تحتاج الرغوة المتصاعدة إلى اكتساب قوة هيكلية كافية بسرعة نسبية أثناء التمدد. وهذا يفرض متطلبات أكبر على سرعة التفاعل وتطور بنية الرغوة. في بعض تركيبات الرغوة المرنة التقليدية، تُستخدم نسبة أعلى من الماء لزيادة تكوين اليوريا وضبط سلوك الرغوة.

لذلك، في هذه الأنواع من التركيبات، غالبًا ما يستخدم الرغوة العمودية عند نفس الكثافة المستهدفة نسبة ماء إلى MC أعلى من الرغوة الأفقية.

بشكل عام، بمجرد تحديد الكثافة والصلابة المستهدفة لتركيبة الرغوة التقليدية متوسطة أو منخفضة الكثافة، فإن جرعة الماء لا يكون لها بالضرورة قيمة ثابتة واحدة ويمكن تعديلها ضمن نطاق معين.

مع ذلك، فإن تغيير جرعة الماء لا يقتصر على تغيير كمية غاز النفخ فحسب، بل يؤثر أيضاً على الطلب على ثنائي أيزوسيانات التولوين، وتكوين اليوريا، وحرارة التفاعل، والتوازن الكلي للتفاعل.

لهذا السبب، يجب أن تأخذ التركيبة النهائية في الاعتبار جرعة MC، ومؤشر TDI، ونظام المحفز، ودرجة حرارة المواد الخام، وعملية الرغوة المحددة معًا، بحيث يمكن تكييفها مع المواد الخام المختلفة، والآلات، ودرجات الحرارة المحيطة، والرغوة ذات الرأس المتذبذب، والرغوة ذات التدفق الزائد، والرغوة الأفقية، والرغوة الرأسية، وظروف الإنتاج الأخرى.