تتكون رغوة البولي يوريثان (رغوة البولي يوريثان) بشكل أساسي من مادة البولي يوريثان كمكون رئيسي لها. تشتمل المواد الخام في المقام الأول على البولي إيزوسيانات والبوليولات، مع إضافة العديد من الإضافات، وأهمها سلسلة من عوامل الرغوة المتعلقة بعملية الرغوة. تؤدي هذه المواد المضافة إلى إنتاج كمية كبيرة من الرغوة داخل منتج التفاعل، مما ينتج عنه منتجات رغوة البولي يوريثان. تقدم هذه المقالة لمحة موجزة عن المواد الخام المستخدمة في إنتاج رغوة البولي يوريثان وعوامل الرغوة.


1. بولي إيزوسيانات


تشمل البولي إيزوسيانات الأكثر استخدامًا في الإنتاج الصناعي لرغاوي البولي يوريثان التولوين ثنائي إيزوسيانات (TDI)، والبولي ميثيلين بولي فينيل إيزوسيانات (PAPI)، وثنائي فينيل ميثان ثنائي إيزوسيانات (MDI)، والسائل MDI (L-MDI).



TDI


يستخدم TDI بشكل رئيسي في إنتاج رغاوي البولي يوريثان المرنة. تتميز MDI بتفاعلية أعلى من TDI، وتقلب أقل، ويمكن استخدام بعض الأشكال المعدلة من MDI كبدائل لـ TDI في إنتاج رغاوي البولي يوريثان المرنة، بما في ذلك رغاوي البولي يوريثان عالية الكثافة وتصنيع إلاستومرات البولي يوريثان شبه الصلبة أو الدقيقة.


PAPI، المعروف أيضًا باسم MDI الخام أو MDI المبلمر، عادةً ما يكون متوسط ​​وزنه الجزيئي يتراوح من 30 إلى 400، مع محتوى NCO من 31% إلى 32%. في مجال البلاستيك الرغوي، يتم استخدام PAPI وPAPI المعدل في المقام الأول لإنتاج العديد من رغاوي البولي يوريثان الصلبة، مع استخدام بعضها أيضًا في إنتاج الرغاوي المرنة عالية الارتداد، ورغاوي الجلد المتكاملة، والرغاوي شبه الصلبة. يمكن خلط PAPI مع TDI لتصنيع المواد البلاستيكية الرغوية عالية الارتداد والمعالجة على البارد.


2. البولي إيثر والبوليستر بوليول


2.1 بولي إيثر بوليولات


تكون بوليولات البولي إيثر المستخدمة لإنتاج رغاوي البولي يوريثان المرنة عبارة عن بولي إيثرات طويلة السلسلة ومنخفضة الأداء بشكل عام. في تركيب الرغاوي المرنة، تتراوح وظيفة البولي إيثر بوليول عادةً بين 2 و3، بمتوسط ​​وزن جزيئي يتراوح من 2000 إلى 6500. يتم استخدام ثلاثيات البولي إيثر بشكل شائع في الرغاوي المرنة، والتي تبدأ عادةً بالجلسرين (البروبان-1،2،3-تريول) ويتم الحصول عليها من خلال بلمرة فتح الحلقة باستخدام بروبان إيبوكسي 1،2 أو بلمرة مشتركة مع كمية صغيرة من أكسيد الإيثيلين، مع يتراوح الوزن الجزيئي عمومًا بين 3000 إلى 7000.



بولي إيثر بوليول


تُستخدم بوليولات البولي إيثر عالية النشاط بشكل أساسي في الرغاوي المرنة عالية الارتداد ويمكن استخدامها في إنتاج الرغاوي شبه الصلبة ومنتجات الرغاوي الأخرى. يمكن استخدام بعض ثنائيات بولي إيثر كمواد مساعدة، مخلوطة مع ثلاثيات بولي إيثر في تركيبات رغوية مرنة. يتم استخدام البولي إيثر بوليول منخفض عدم التشبع والوزن الجزيئي العالي لإنتاج الرغاوي الناعمة، مما يقلل من كمية TDI المطلوبة.


تكون بوليولات بولي إيثر المستخدمة في تركيبات الرغوة الصلبة عمومًا عبارة عن بوليولات بولي إيثر عالية الأداء وذات قيمة هيدروكسيلية عالية لتحقيق ترابط وصلابة كافية. تتراوح قيمة الهيدروكسيل لبوليولات البولي إيثر لتركيبات الرغوة الصلبة عادة من 350 إلى 650 مجم KOH/جم، مع متوسط ​​وظيفة 3 أو أعلى. غالبًا ما تستخدم تركيبات الرغوة الصلبة مزيجًا من نوعين من بوليولات البولي إيثر، بمتوسط ​​قيمة هيدروكسيل تبلغ حوالي 4000 ملجم KOH/جرام.


تستخدم تركيبات الرغوة شبه الصلبة في كثير من الأحيان بعض البولي إيثرات ذات الوزن الجزيئي العالي، وخاصة بولي إيثر ثلاثي ثلاثي عالي النشاط، وبعض بوليولات بولي إيثر منخفضة الوزن الجزيئي عالية الأداء من تركيبات الرغوة الصلبة.

2.2 بوليولات البوليستر


يمكن استخدام بوليولات بوليستر أليفاتية منخفضة اللزوجة، مثل ثنائيات أديبات هيكسانيديول بقيمة هيدروكسيل تبلغ حوالي 56 مجم KOH/جم، أو بوليولات بوليستر متفرعة قليلاً، لإنتاج رغاوي بولي يوريثان مرنة قائمة على البوليستر. تتميز بوليولات البوليستر بتفاعلية عالية. حاليا، يتم استخدام رغوة البولي يوريثان المصنوعة من البوليستر فقط في عدد قليل من المجالات مثل المواد المساعدة للملابس.



بوليولات البوليستر


يتم استخدام بوليولات البوليستر العطرية، التي يتم تصنيعها من أحماض ثنائي الكربوكسيل (مثل أنهيدريد الفثاليك، وحمض تيريفثاليك، وما إلى ذلك) وثنائيات الجزيئات الصغيرة (مثل جلايكول الإثيلين، وما إلى ذلك) أو البوليولات، لإنتاج رغاوي البولي يوريثان الصلبة ورغاوي البولي إيزوسيانورات الصلبة. يمكن أيضًا استخدام بوليولات بوليستر ذات قيمة هيدروكسيلية منخفضة مشتقة من أنهيدريد الفثاليك في الرغاوي المرنة عالية الارتداد، ورغاوي الجلد المتكاملة، والرغاوي شبه الصلبة، ومواد البولي يوريثان غير الرغوية.

2.3 بوليولات البوليمر


تعمل بوليولات البوليمر، بما في ذلك الستايرين الصلب، والبوليمرات المتجانسة الأكريلونيتريل، والبوليمرات المشتركة، والبوليمرات المطعمة، بمثابة "حشوات" عضوية لتعزيز أداء الحاملة. تُستخدم بوليولات البوليمر في إنتاج رغاوي الكتل المرنة عالية الصلابة، والرغاوي عالية الارتداد، والرغاوي المرنة لدنة بالحرارة، والرغاوي شبه الصلبة، ورغاوي التسلخ الذاتي، ومنتجات حقن التفاعل (RIM). يمكنها تقليل سمك المنتج، وخفض كثافة الرغوة لتقليل التكاليف، وزيادة فتح الخلايا البلاستيكية الرغوية، ونقل خصائص مثبطات اللهب إلى المنتجات.



بوليمر بوليولات


تعد بوليولات البوليوريا (تشتتات PHD) فئة خاصة من البوليولات المعدلة بالبوليمر المستخدمة في الرغاوي المرنة عالية الارتداد، والرغاوي شبه الصلبة، والرغاوي الناعمة، ولكن وجودها في السوق محدود.


هناك أيضًا بعض البوليولات الخاصة المستخدمة لإنتاج رغاوي البولي يوريثان، مثل البوليولات القائمة على الزيوت النباتية، وبوليولات البوليستر القائمة على الصنوبري، والبوليسترات البوليمرية. لم يتم وصف هذه بالتفصيل في هذه المقالة.

تؤثر العديد من العوامل على عملية الرغوة وجودة المنتج النهائي عند تصنيع رغوة البولي يوريثان المرنة. ومن بين هذه العوامل، تلعب العوامل البيئية الطبيعية مثل درجة الحرارة ورطوبة الهواء والضغط الجوي أدوارًا حاسمة. تؤثر هذه العوامل بشكل كبير على كثافة الرغوة والصلابة ومعدل الاستطالة والقوة الميكانيكية.


1. درجة الحرارة:


تفاعل رغوة البولي يوريثان حساس للغاية، حيث تعتبر درجة الحرارة عامل تحكم رئيسي. ومع ارتفاع درجة حرارة المادة، يتسارع تفاعل الرغوة. في التركيبات الحساسة، يمكن أن تشكل درجات الحرارة المرتفعة بشكل مفرط مخاطر مثل حرق القلب والاشتعال. بشكل عام، من الضروري الحفاظ على درجات حرارة ثابتة لمكونات البوليول والإيزوسيانات. تؤدي زيادة درجة الحرارة إلى انخفاض مماثل في كثافة الرغوة أثناء الرغوة.


تزيد درجات الحرارة المرتفعة، خاصة في الصيف، من سرعة التفاعل، مما يؤدي إلى انخفاض كثافة الرغوة وصلابتها، وزيادة معدل الاستطالة، مع تعزيز القوة الميكانيكية. ولمواجهة انخفاض الصلابة، يُنصح بضبط مؤشر TDI. يجب على الشركات المصنعة ضبط معلمات العملية وفقًا لتغيرات درجات الحرارة الموسمية والإقليمية لضمان استقرار جودة المنتج.


2. رطوبة الجو:


تؤثر رطوبة الهواء أيضًا على عملية رغوة رغوة البولي يوريثان المرنة. تؤدي الرطوبة العالية إلى حدوث تفاعلات بين مجموعات الأيزوسيانات الموجودة في الرغوة والرطوبة المحمولة جواً، مما يؤدي إلى انخفاض صلابة المنتج. زيادة جرعة TDI أثناء الرغوة يمكن أن تعوض هذا التأثير. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي الرطوبة الزائدة إلى رفع درجات حرارة المعالجة، مما قد يؤدي إلى حرق القلب. يحتاج المصنعون إلى ضبط تركيبات ومعايير عملية الرغوة بعناية في البيئات الرطبة لضمان جودة المنتج واستقراره.


3. الضغط الجوي:


ويعد الضغط الجوي عاملاً مؤثراً آخر، خاصة في المناطق ذات الارتفاعات المختلفة. يؤدي استخدام نفس التركيبة على ارتفاعات أعلى إلى انخفاض كثافة منتج الرغوة نسبيًا. ويرجع ذلك إلى تغيرات الضغط الجوي التي تؤثر على انتشار الغاز وتمدده أثناء الرغوة. يجب على الشركات المصنعة العاملة في المناطق المرتفعة أن تأخذ في الاعتبار ذلك وقد تحتاج إلى تعديل التركيبات أو معلمات المعالجة لتلبية متطلبات الجودة.



في الختام، تؤثر العوامل البيئية الطبيعية بشكل كبير على عملية الرغوة وجودة المنتج النهائي لرغوة البولي يوريثان المرنة. يجب على الشركات المصنعة تعديل معلمات العملية بناءً على الظروف الموسمية والإقليمية والبيئية لضمان كثافة الرغوة المستقرة والصلابة والقوة الميكانيكية، وتلبية متطلبات ومعايير العملاء.

يشعر المبتدئون بالقلق من أنه إذا لم يتم ضبط لوحة الترسيب بشكل صحيح، فإن السائل المتدفق من الفوهة قد يتسبب في ارتفاع أمامي أو ارتفاع خلفي، مما يؤثر على عملية الرغوة. في غضون دقيقتين بعد تشغيل الجهاز، تزداد سرعة التفاعل تدريجيًا، مما يتطلب أحيانًا إجراء تعديلات على لوحة التثبيت. تعتبر التعديلات على لوحة الترسيب أكثر أهمية في الصيغ ذات الكثافة المنخفضة والمحتوى العالي من الرطوبة (MC).



يمكن حساب معدل تدفق TDI (ثنائي إيزوسيانات التولوين) ليتوافق مع قيمة المقياس، ولكن يوصى بقياس معدل تدفق TDI فعليًا أثناء الرغوة الأولى. معدل التدفق مهم للغاية؛ إذا لم يكن معدل التدفق دقيقًا، فسيكون كل شيء آخر في حالة من الفوضى. من الأفضل الاعتماد على الطريقة الأبسط والأكثر بديهية لقياس معدل التدفق.



عند خلط المساحيق، يجب ترك مسحوق الحجر المختلط طوال الليل ويجب أن يبدأ الإنتاج في اليوم التالي. بالنسبة للمكونات التي تحتوي على الميلامين ومسحوق الحجر، يوصى أولاً بخلط الميلامين مع البولي إيثر لفترة من الوقت قبل إضافة مسحوق الحجر.



إن تركيبات آلات الرغوة التي تحتوي على حجرة خلط طويلة في رأس الآلة أو تحتوي على عدد أكبر من الأسنان على عمود التحريك عادةً ما تحتوي على نسبة أمين أقل ودرجة حرارة مادة أقل. على العكس من ذلك، فإن تركيبات آلات الرغوة التي تحتوي على غرفة خلط قصيرة في رأس الماكينة أو عدد أقل من الأسنان على عمود التحريك عادةً ما تحتوي على نسبة أمين أكبر ودرجة حرارة أعلى للمادة.



بالنسبة لنفس الصيغة، عند التبديل بين الرؤوس الدوارة ذات الرش المزدوج والرؤوس الدوارة ذات الرش الفردي مع مناطق مقطع عرضي مماثلة للفوهة، تكون متطلبات سمك الشبكة وطبقاتها متشابهة.



لمعايرة تدفق المواد الثانوية، تتمثل إحدى الطرق في قياس التدفق الراجع للمادة الثانوية، والطريقة الأخرى هي معايرتها عن طريق قسمة الكمية الإجمالية المستخدمة على وقت الرغوة. عندما يكون هناك اختلاف كبير بين طريقتي المعايرة، اعتمد على البيانات من طريقة المعايرة الثانية.



تركيبات الرغوة الناعمة عالية الجودة عادة ما تكون ضمن نطاق غير مستقر، مثل انخفاض مؤشر TDI، وانخفاض نسبة الماء إلى MC، وجرعة T-9 منخفضة، وجرعة زيت السيليكون المنخفضة.

في حوادث الحرائق السنوية، تكون نسبة كبيرة من حالات الاشتعال ناتجة عن الرغوة، بما في ذلك حرائق الأرائك والإشعال المختلف الناتج عن العبوات الناعمة. تحدث هذه الحوادث بشكل متكرر للغاية. كيف يمكننا القضاء على مثل هذه الأحداث أو تقليلها بشكل أساسي؟



أحد الأساليب الفعالة هو البدء من المواد المصدرية، تمامًا مثل معالجة السبب الجذري للمرض. إن إضافة مثبطات اللهب إلى رغوة البولي يوريثان يمكن أن يمنع الاشتعال بشكل فعال.



الآن، دعونا نفهم الرغوة المثبطة للهب:



الرغوة المقاومة للهب، والمعروفة أيضًا بالرغوة المقاومة للحريق، لها اسم كيميائي لمادة رغوة البولي يوريثان، والتي تنقسم إلى رغوة ناعمة (تستخدم بشكل أساسي للأثاث) ورغوة صلبة (تستخدم بشكل أساسي للعزل). بشكل عام، إنها مادة مقاومة للحريق يتم تصنيعها عن طريق إضافة مثبطات اللهب المختلفة إلى مادة البولي يوريثين.



إن تأثير مثبط الحريق للمنتج يلبي متطلبات ASTM Standard 117 والمعايير الوطنية. طريقة الاستخدام هي نفس طريقة استخدام الرغوة العادية.



يعد احتراق البوليمرات تفاعل أكسدة معقدًا ومكثفًا للغاية. تحدث هذه العملية عندما يتم تسخين البوليمر بشكل مستمر بواسطة مصدر حرارة خارجي، مما يؤدي إلى بدء تفاعل متسلسل جذري حر مع الأكسجين الموجود في الهواء. يؤدي ذلك إلى إطلاق بعض الحرارة، مما يزيد من تكثيف تحلل البوليمر، ويولد المزيد من الغازات القابلة للاشتعال، ويجعل الاحتراق أكثر خطورة.



هناك طريقتان لتثبيط لهب الرغوة المقاومة للحريق:



الأول هو إدخال عناصر مثبطة للهب كيميائيًا أو مجموعات تحتوي على عناصر جديدة مثبطة للهب في التركيب الجزيئي للرغوة. الطريقة الأخرى هي إضافة مركبات تحتوي على عناصر مثبطة للهب إلى الرغوة. تستخدم الطريقة الأولى مواد مثبطة للهب تسمى مثبطات اللهب التفاعلية، بينما تستخدم الطريقة الأخيرة مواد تسمى مثبطات اللهب المضافة.



وفي الوقت الحالي، فإن الغالبية العظمى من مثبطات اللهب المستخدمة في الرغوة عبارة عن مثبطات لهب مضافة، في حين تستخدم مثبطات اللهب التفاعلية بشكل رئيسي في الراتنجات المتصلدة بالحرارة مثل راتنجات الإيبوكسي والبولي يوريثان. وتتمثل الوظيفة الأساسية لمثبطات اللهب في التدخل في العناصر الأساسية الثلاثة اللازمة للاحتراق: الأكسجين والحرارة والوقود. ويمكن تحقيق ذلك بشكل عام من خلال الوسائل التالية:



يمكن أن تنتج مثبطات اللهب غازات أثقل غير قابلة للاشتعال أو سوائل مغلية تغطي سطح الرغوة، مما يقطع الاتصال بين الأكسدة والوقود.



عن طريق امتصاص الحرارة من خلال التحلل أو التسامي، تعمل مثبطات اللهب على تقليل درجة حرارة سطح البوليمر.



تولد مثبطات اللهب كمية كبيرة من الغازات غير القابلة للاشتعال، مما يخفف من تركيز الغازات القابلة للاشتعال والأكسجين في منطقة الاحتراق.



تلتقط مثبطات اللهب الجذور الحرة الجذرية، مما يقطع التفاعل المتسلسل للأكسدة.

إن درجة الحرارة الداخلية للرغوة لا غنى عنها مثل الحيوية بالنسبة للإنسان. إذا كانت درجة حرارة الإسفنجة بعد المعالجة منخفضة جدًا، فلن تكون خصائصها الفيزيائية مثالية، وستكون هناك تقلبات كبيرة في هذه الخصائص.



بمجرد أن يتم تطوير الرغوة بشكل جيد، ترتفع درجة حرارتها الداخلية بسرعة إلى أكثر من 120 درجة مئوية بسبب التفاعل الطارد للحرارة الذي يحدث في ظل ظروف تبديد الحرارة السيئة، مما يصبح أحد مخاطر الحريق.



تعتبر درجة الحرارة الداخلية للرغوة أمرًا حاسمًا لتشكيل خصائصها الفائقة. تُظهِر الرغوة الناضجة عند درجات حرارة خارجية محددة خواص فيزيائية فائقة بشكل استثنائي مثل قوة الشد. يقوم البعض بحساب درجة حرارة الرغوة من خلال الصيغ، بينما يستخدم البعض الآخر برنامجًا لإدخال الصيغ وحساب درجة الحرارة الداخلية للرغوة تلقائيًا. إذًا، ما هي العوامل التي تؤثر على درجة الحرارة الداخلية للرغوة؟ هل من المهم معرفة هذه العوامل؟ يشبه الأمر مدى دقة كاميرات الهواتف الحديثة، لكن هل هذا يجعل التصوير الفوتوغرافي الاحترافي عديم الفائدة؟ هل التعديلات مثل فتحة العدسة والبعد البؤري ووقت التعرض لا معنى لها؟ للتحكم بشكل أفضل في الأشياء، يجب على المرء أن يفهم المزيد من المتغيرات الرئيسية لذلك الشيء. لنبدأ بالمبادئ الأساسية لفهم التغيرات في درجة حرارة الرغوة الداخلية.



أولاً، دعونا نفهم بعض القواعد الأساسية.



تتناسب درجة حرارة الفضاء بشكل مباشر مع كمية الطاقة الحرارية المحقونة في ذلك الفضاء وتتناسب عكسيا مع حجمه.


على سبيل المثال، إذا تم توزيع 10 كيلوجول من الحرارة في مساحة 8 لترات، فإن درجة حرارة ذلك الفضاء تبلغ 20 درجة مئوية. إذا تم توزيع نفس 10 كيلو جول من الحرارة في مساحة 4 لتر، تصبح درجة الحرارة 40 درجة مئوية.


تتناسب كمية الحرارة المدخلة بشكل مباشر مع قيمة مدخلات الحرارة وسرعة إدخال الحرارة.


على سبيل المثال، إذا تم إطلاق 100 كيلوجول من الحرارة بسرعة "v"، فإن مدخلات الحرارة هي "A". إذا تم إطلاق نفس 100 كيلوجول من الحرارة بسرعة 2 فولت، يصبح دخل الحرارة 2A.


حجم الفضاء يتناسب طرديا مع درجة الحرارة المطلقة.


على سبيل المثال، مساحة 1 لتر عند 0 درجة مئوية تصبح 1.366 لتر عند 100 درجة مئوية لأن (273.15 + 100)/(273.15 + 0) = 1.366.


حجم الفضاء يتناسب عكسيا مع الضغط الجوي.


يجب أن يؤخذ في الاعتبار التأخر في تبخير الميثان.


بعد ذلك، دعونا نتفحص مدى تأثير الضبط الدقيق للصيغة على درجة حرارة الرغوة الداخلية.



نظرًا لأن هذا يعد ضبطًا دقيقًا، فإننا نقدر أن البيئة المحيطة تظل دون تغيير قبل وبعد التعديلات. دعونا ننظر في آثار ضبط الماء والميثان على درجة حرارة الرغوة الداخلية.


على سبيل المثال، إذا كانت الصيغة تزيد من غاز الميثان بنسبة 5%، فيمكننا التأكد من أن درجة حرارة الرغوة الداخلية تنخفض لأن تبخير الميثان يمتص الحرارة، مما يقلل من مدخلات الحرارة إلى الرغوة، ويزيد من المساحة لاستيعاب الحرارة. وبالمثل، إذا تمت زيادة محتوى الماء بنسبة 5%، فإن الماء المضاف يطلق حرارة عند الحقن في الرغوة، مما يزيد من مدخلات الحرارة، ويولد تفاعل الماء المضاف غازًا، مما يزيد من المساحة المخصصة للحرارة. فهل درجة حرارة الرغوة الداخلية تزيد أم تنخفض في هذه الحالة؟ تشير التجربة إلى أن درجة حرارة الرغوة الداخلية ترتفع. يشير هذا إلى أن زيادة مدخلات الحرارة بسبب هذا التغيير تساهم بشكل أكبر في زيادة درجة حرارة الرغوة الداخلية مقارنة بالغاز الناتج عن الماء المخفف لدرجة الحرارة.



التغييرات التي تنطوي على مؤشر الرغوة، وإطلاق الحرارة، وتبديد الحرارة كلها متزايدة يمكن أن تجعل من الصعب تخمين ما إذا كانت درجة حرارة الرغوة الداخلية سترتفع أو تنخفض. قد يحتاج المرء إلى إدخال مسبار بعد الرغوة لمقارنة درجات الحرارة الداخلية أو إجراء حساب للوصول إلى نتيجة.



لإجراء الحسابات، هناك حاجة إلى عدة صيغ (تعبيرات جبرية) مستمدة من القواعد الأساسية السابقة، إلى جانب بعض البيانات: الحرارة المنطلقة عندما يتفاعل الماء مع TDI لتكوين ثاني أكسيد الكربون بالكيلوجول لكل مول، والحرارة الممتصة أثناء تبخر الميثان بالكيلوجول لكل مول. . لتقدير إجمالي درجة الحرارة الداخلية للرغوة، يجب معرفة الحرارة المنطلقة عند تكوين فورمات الميثيل الأميني، وفورمات ميثيل اليوريا، واليوريا، والبيوريت (بوليوريا)، بالكيلوجول لكل مول، ومعدل التفاعل (زمن التفاعل).



وهذا يفسر أيضًا سبب اختلاف الكثافة المحسوبة من مؤشر الرغوة بشكل كبير عن القيم النظرية والفعلية للرغاوي بدون حشوات عند كثافة 50. كلما انخفضت الكثافة، كلما اقتربت القيم النظرية والفعلية لكثافة الرغوة.