إضافات البولي يوريثين - المحفزات

في نظام رغوة البولي يوريثان، تحدث تفاعلات كيميائية متعددة، والتي يمكن أن تحدث في وقت واحد أو بالتتابع، مما يجعل العملية معقدة للغاية. تشمل هذه التفاعلات التفاعل بين الأيزوسيانات والبوليولات، والماء، والمواد النشطة الأخرى المحتوية على الهيدروجين، بالإضافة إلى البلمرة الذاتية للأيزوسيانات (التي تظهر عادة في إنتاج الرغوة الصلبة PIR).

تحتوي مركبات الإيزوسيانات العضوية على مجموعات إيزوسيانات غير مشبعة بدرجة عالية (-N=C=O)، مما يجعلها شديدة التفاعل كيميائيًا. تتمتع ذرات الأكسجين والنيتروجين في هذه المجموعات بكثافة سحابة إلكترونية عالية، حيث يكون الأكسجين هو الأكثر سالبية كهربية، ويعمل كمركز محب للنواة يجذب الهيدروجين لتكوين مجموعات الهيدروكسيل. وعلى العكس من ذلك، فإن ذرة الكربون لديها أقل كثافة للسحابة الإلكترونية، مما يجعلها شديدة الإيجابية للكهرباء وعرضة للهجوم النووي. تعتبر الآلية التحفيزية للعوامل الحفازة في التفاعل بين الأيزوسيانات ومركبات الهيدروجين النشطة معقدة. بالنسبة لمحفزات الأمين الثلاثي، تتضمن الآلية الهجوم النووي لمركبات الأمين الثلاثي الأساسي على أيون الكربون موجب الشحنة (C⁺)، مما يشكل مركبًا وسيطًا نشطًا. يتفاعل هذا الوسيط بسهولة مع مركبات الهيدروجين النشطة، ويطلق المحفز الأساسي، الذي يتفاعل بعد ذلك مع جزيء إيزوسيانات آخر لتكوين وسيط جديد.

في إنتاج الرغوة، تتم التفاعلات الأولية بين الإيزوسيانات والبوليولات، والإيزوسيانات والماء. تطلق هذه التفاعلات حرارة كبيرة، مما يؤدي إلى رفع درجة حرارة النظام وتعزيز معالجة الرغوة. ومن بين هذه التفاعلات، التفاعل بين الأيزوسيانات والبوليولات، المعروف أيضًا باسم تفاعل الجيلاتين أو تفاعل تمديد السلسلة، الذي يزيد بشكل كبير من لزوجة المادة السائلة، مما يؤدي إلى التصلب.

التفاعل بين الأيزوسيانات والماء، والذي يشار إليه غالبًا باسم تفاعل النفخ، يولد ثاني أكسيد الكربون، الذي يعمل كمصدر الغاز لبنية الخلية في كل من رغاوي البولي يوريثان الناعمة وبعض أنواع الصلبة. ينتج عن هذا التفاعل ثاني أكسيد الكربون واليوريا المستبدلة من خلال عملية من خطوتين:

تكوين حمض كرباميك وسيط غير مستقر.

تحلل حمض الكارباميك إلى ثاني أكسيد الكربون واليوريا المستبدلة.

معدلات تفاعل الماء مع الأيزوسيانات والهيدروكسيلات الثانوية مع الأيزوسيانات متشابهة، لكن معدل تحلل حمض الكارباميك يزيد بشكل ملحوظ عن 100°C.

في صناعة الرغوة، من الضروري تحقيق التوازن بين هذين التفاعلين لإنتاج منتجات عالية الجودة. إذا حدث تفاعل النفخ مبكرًا جدًا وكان نمو اللزوجة بطيئًا، فسيتم توليد معظم الغاز قبل اكتمال تفاعل التجلن، مما يؤدي إلى التحام الفقاعات وهروب الغاز. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل قوة الرغوة ومقاومتها للتمزق، أو حتى يتسبب في انهيار الرغوة، مما يؤدي إلى ظهور مواد صلبة عالية الكثافة وغير موحدة. على العكس من ذلك، إذا تجاوز تفاعل التبلور تفاعل النفخ بشكل ملحوظ، فإن نمو اللزوجة السريع سوف يسبب تبلورًا مبكرًا قبل تكوين الغاز المناسب، مما ينتج عنه رغوة عالية الكثافة بخصائص غير مرضية.

للحصول على الأداء الأمثل للرغوة، يجب أن يتوازن هذين التفاعلين الأساسيين بحيث أنه عند اكتمال تفاعل النفخ، يكون هيكل شبكة الرغوة قويًا بما يكفي لاحتجاز الفقاعات. تُستخدم المحفزات عادةً لضبط التفاعلات المعقدة لتحقيق هذا التوازن. كما أنها تعمل على تسريع التفاعلات، مما يقلل من وقت دورة الإنتاج.

في إنتاج الرغوة المقولبة، يجب أن تزيد لزوجة المادة ببطء في البداية، مما يسمح للمادة بالتدفق إلى جميع تجاويف القالب. عندما تتوسع المادة بالكامل لملء القالب، يجب أن يكون تفاعل التبلور كاملاً. يتطلب ذلك أن يبدأ تفاعل التجلن ببطء وينتهي بسرعة، حيث تلعب المحفزات دورًا حاسمًا.

المحفزات هي مواد مضافة لا غنى عنها في إنتاج رغوة البولي يوريثان. وبغض النظر عن العملية، فإن المحفزات ضرورية لتنظيم سرعات التفاعل. وذلك لأن التفاعلات بين الإيزوسيانات والبوليولات المتعددة الإيثر (أو البوليستر)، وكذلك بين الإيزوسيانات والماء، تكون بطيئة نسبيًا عند درجة حرارة الغرفة. للتأكد من أن تفاعلات النفخ والجيل تحقق التوازن خلال فترة زمنية قصيرة، يجب استخدام المحفزات لتسريع هذه التفاعلات. نظرًا لأن المحفزات المختلفة تظهر أنشطة تحفيزية مختلفة لتفاعلات مختلفة، فمن الشائع استخدام نوعين أو أكثر من المحفزات للتحكم في مستويات التفاعل، وتلبية متطلبات عمليات الإنتاج وأنواع المنتجات المختلفة.