في سبتمبر 2021، تلقينا استفسارًا من السيد. عبد الله في المملكة العربية السعودية فيما يتعلق بآلة الرغوة المستمرة. كان العميل يخطط لإنشاء مصنع لرغوة البولي يوريثان لإنتاج منتجات للأسواق المحلية واليمنية. كان لديه بعض المعرفة الأساسية حول استخدام الآلة واختيارها.

لم يكن لدى العميل خبرة سابقة في إنتاج الرغوة من قبل، لذلك كان مهتمًا بشكل خاص بدعم ما بعد البيع والمساعدة الفنية.

بدأنا بتحليل السوق المستهدف للعميل (صناعة محددة) وفهم متطلبات المنتج المحلي (مثل كثافة الرغوة والصلابة وما إلى ذلك) لتأكيد احتياجات الإنتاج للعميل.

من خلال مؤتمرات الفيديو، قمنا بتوجيه العميل خلال عملية إنتاج رغوة البولي يوريثان، مما يوفر للعميل فهمًا ملموسًا لإنتاج الرغوة وتسليط الضوء على مزايا الراحة والكفاءة التي تتميز بها أجهزتنا مقارنة بتلك الخاصة بالمصنعين الآخرين.

استنادًا إلى خبرتنا التي تزيد عن 20 عامًا في مجال رغوة الرغوة، قمنا بمشاركة الأفكار مع العميل حول استخدام الماكينة والتحديات الشائعة في عملية رغوة الرغوة، ومعالجة أي مخاوف فنية قد تكون لدى العميل.

لقد قمنا أيضًا بتزويد العميل بخطط تخطيط المصنع لتسريع إعداد خط إنتاج الرغوة بالكامل مع زيادة كفاءة الإنتاج إلى الحد الأقصى.

نظرًا لمستوى ثقة العميل العالي في خدماتنا الاحترافية، فقد اختارنا في النهاية كمورد له لآلات الرغوة وقام بعد ذلك بعمليات شراء متكررة لخط إنتاج الرغوة المعاد تجميعها وآلات قطع الرغوة.

ترتبط مقاومة الضغط للرغوة بالعديد من العوامل مثل بنية أجزاء السلسلة المختلفة التي تتكون منها الرغوة، والروابط الكيميائية بين الجزيئات، وبلورة البوليمرات، ودرجة فصل الطور، وبنية الإيزوسيانات، ونسبة الإيزوسيانات مستخدم.

1  تتكون الرغوة ذات الارتداد البطيء من تفاعل البوليولات ذات الوزن الجزيئي العالي والبوليولات ذات الوزن الجزيئي المنخفض مع الأيزوسيانات. تتمتع الأجزاء الناعمة التي تتكون من البوليولات ذات الوزن الجزيئي العالي بأحجام كبيرة وكثافة منخفضة للوصلات المتشابكة ونشاط عالي. فهي سهلة الضغط وتتعافى بسرعة بعد إزالة الضغط. تتميز الأجزاء الصلبة التي تتكون من البوليولات ذات الوزن الجزيئي المنخفض بأحجام صغيرة وكثافة عالية للوصلات المتشابكة ونشاط منخفض. يصعب ضغطها ويصعب أيضًا استعادتها بعد إزالة القوى الخارجية. تمنح هذه الخاصية الرغاوي خاصية الارتداد البطيء وهي الأساس لتصنيع الرغاوي البطيئة الارتداد.

ونظرًا لاختلاف خصائص الأجزاء الناعمة والصلبة في الرغاوي ذات الارتداد البطيء، فإن هناك درجة معينة من فصل الطور بينهما. إذا لم يكن هناك فصل طور بين الأجزاء، فإن الجسم الرغوي يكون كليًا متماسكًا بإحكام على نطاق واسع، مما يؤدي إلى ظاهرة "حرك شعرة واحدة ويتحرك الجسم كله"، مما يعني أنه ينكمش ككل عند ضغطه ويتوسع عندما يتم تحرير الضغط. ومع ذلك، فإن البنية المجهرية للرغوة تحدد أن هذا الوضع لا يمكن تحقيقه بالكامل. خاصة في الرغاوي البطيئة الارتداد، فإن قطاعات السلسلة المختلفة لها هياكل جزيئية مختلفة، وتوزيعات غير متساوية للوزن الجزيئي، وفصل طور لا مفر منه. يؤدي فصل الطور الطفيف إلى صعوبة تعافي بعض القطع الصلبة، بسبب نشاطها المنخفض، أثناء عملية التعافي بعد إزالة القوى الخارجية. هؤلاء "الهاربون" يعيقون بشكل أو بآخر تعافي الأجزاء الناعمة، مما يؤدي في النهاية إلى تقلصها.

2  إن تبلور الأجزاء الصلبة، التي تكون أقوى من تبلور الأجزاء الناعمة، هو أيضًا سبب لضعف التعافي. تتمتع المواد بتوافقات مماثلة، والتي تنطبق أيضًا على الرغاوي ذات الارتداد البطيء. نظرًا لأن الأجزاء الصلبة تحتوي على نقاط تشابك أقرب وكثافة تشابك أعلى، فمن المرجح أن تتجمع الجزيئات الصغيرة المتكونة معًا. ونظرًا لوجود الروابط الهيدروجينية، فإن هذه المواد المجمعة المحتوية على الهيدروجين تعمل على تعزيز تبلور المادة، مما يؤدي إلى زيادة قوى التماسك. بعد الضغط، تغير القوى الخارجية حالة التجميع لأجزاء السلسلة، مما يسهل على المجموعات القطبية الاندماج معًا. عندما يتم إطلاق القوة الخارجية، يصعب عودة حالة التجميع الجديدة، بسبب قوى التماسك القوية، إلى حالة الإجهاد المسبق، مما يؤدي إلى انكماش الرغاوي البطيئة الارتداد.

3  يعد هيكل الأيزوسيانات أيضًا أحد العوامل التي تؤثر على مقاومة ضغط الرغاوي البطيئة الارتداد. يستخدم TDI عادةً لإنتاج رغاوي ذات ارتداد بطيء. نظرًا لأن مجموعتي NCO في جزيء TDI تقعان في المواضع 2،4 و2،6، فإن لديهما زاوية معينة بينهما، مما يجعلهما عرضة للتشوه تحت الضغط. خاصة في ظل ظروف الضغط الساخنة، يحدث تشوه كبير وفقدان للحرارة، وهو ما يظهر بشكل خاص في رغاوي كأس حمالة الصدر، مما يجعل التعافي من هذه التشوهات أمرًا صعبًا.

4  يعد انخفاض مؤشر NCO للإيزوسيانات المستخدم في تحضير رغاوي الارتداد البطيء أيضًا سببًا لضعف الانتعاش. عادة ما يكون مؤشر NCO للرغاوي العادية أعلى من 100، بينما في الرغاوي البطيئة الارتداد، يتراوح مؤشر NCO بشكل عام بين 85-95. وهذا يعني أن 5-15% من مجموعات الهيدروكسيل لا تشارك في التفاعل. لذلك، على الرغم من أن سطح الرغوة يبدو ككيان واحد، إلا أنه يوجد داخليًا جزء كبير من أجزاء السلسلة المستقلة عن بعضها البعض.

حلول لتحسين مقاومة الضغط للرغاوي ذات الارتداد البطيء:

1. استخدم بولي إيثر عالي EO (ما يسمى بولي إيثر عامل النفخ) لاستبدال بعض البولي إيثر البطيء الارتداد.

A  يحتوي البولي إيثر عالي EO على قيمة هيدروكسيل منخفضة ووزن جزيئي كبير. بعد التفاعل مع الأيزوسيانات، تكون الأجزاء المتكونة ذات أوزان جزيئية أكبر أو قريبة من تلك التي تتكون عندما يتفاعل البولي إيثر العادي مع الأيزوسيانات، مما يقلل من درجة فصل الطور والبلورة.

B  يحتوي البولي إيثر عالي المحتوى من EO على شرائح ناعمة وسلسة، والتي يمكن أن توفر تأثيرات ارتداد بطيئة جيدة. بالإضافة إلى ذلك، فإن إضافة بولي إيثر عالي EO يمكن أن يحسن بشكل فعال مقاومة درجات الحرارة المنخفضة للرغاوي البطيئة الارتداد.

2. أضف كمية صغيرة من البوليستر المعدل بالبولي إيثر لزيادة قوة تماسك المادة.

تتمتع شرائح البوليستر، بسبب وجود مجموعات الإستر، بقوى تماسك داخلية عالية وخصائص شد وضغط جيدة، مما يحسن بشكل كبير مقاومة الضغط للرغاوي البطيئة الارتداد.

3. استخدم كمية صغيرة من البولي إيثر عالي الأداء والوزن الجزيئي العالي كعامل تشابك، واستبدل بعض البولي إيثر العادي بالبولي إيثر عالي النشاط من أجل الارتداد البطيء.

وهذا يعطل توزيع أجزاء السلسلة، ويقلل من درجة فصل الطور، ويزيد من درجة التفاعل، مما يقلل من التبلور.

4. استخدم MDI أو أضف MDI إلى TDI.

تتمتع MDI ببنية مختلفة عن TDI وتنتج رغاوي ذات مقاومة أفضل للضغط وفقدان أقل للحرارة. في حالة استخدام MDI، فمن الأفضل استخدام MDI المعدل (مع تفرع عالي وإغلاق سهل للخلايا)؛ يمكن أيضًا استخدام أجهزة الاستنشاق بالجرعات المقننة السائلة، حيث إنها تعمل على التدوير داخل الجزيئات وأكثر مقاومة للضغط. تتمتع الرغاوي ذات الارتداد البطيء المصنوعة من جميع أجهزة MDI بمقاومة ضغط أفضل بكثير من TDI النقي، والعديد من الشركات المصنعة تستخدم هذا بالفعل.

يعد احتراق الرغوة ظاهرة شائعة في إنتاج الرغوة الفعلي. فيما يلي الأسباب الكامنة وراء هذه المشكلة إلى جانب الحلول المحتملة:

(1) مشاكل تتعلق بجودة البولي إيثر بوليول: أثناء الإنتاج والنقل، يتجاوز محتوى الماء للمنتج المعيار، وهناك فائض من البيروكسيدات والشوائب ذات نقطة الغليان المنخفضة، وتركيز الأيونات المعدنية مرتفع للغاية، وهناك اختيار وتركيز غير مناسبين لمضادات الأكسدة.

(2) الصياغة: في التركيبات منخفضة الكثافة، يكون مؤشر TDI مرتفعًا جدًا، ونسبة الماء إلى عوامل النفخ الفيزيائية في عامل الرغوة غير مناسبة، وكمية عامل النفخ الفيزيائي غير كافية، ويوجد محتوى مائي زائد.

(3) تأثير المناخ: وفي الصيف تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى بطء تبديد الحرارة، وارتفاع درجات حرارة المواد، وارتفاع رطوبة الهواء، كما أن درجة الحرارة في مركز التفاعل تتجاوز درجة حرارة مضادات الأكسدة.

(4) تخزين غير لائق: عندما يرتفع مؤشر TDI، فإن الطاقة الحرارية المتراكمة خلال فترة ما بعد النضج تسبب زيادة في درجة الحرارة الداخلية، مما يؤدي إلى الاحتراق.

إن فهم المبادئ الكامنة وراء تفاعلات الرغوة أمر بالغ الأهمية. لإتقان الرغوة، يجب علينا أن نسعى جاهدين لإنشاء نموذج تفاعل الرغوة في أذهاننا باستخدام معادلات التفاعل الأربعة التالية. ومن خلال الإلمام بالاختلافات داخل النموذج، فإننا ننمي الحساسية التي تسمح لنا بفهم عملية تفاعل الرغوة بأكملها. يساعد هذا النهج في بناء قاعدة معارفنا ومهاراتنا المهنية في مجال رغوة البولي يوريثان. سواء كنا ندرس بشكل نشط مبادئ تفاعل الرغوة أو نستكشفها بشكل سلبي أثناء عملية الرغوة، فهي بمثابة وسيلة حيوية بالنسبة لنا لتعميق فهمنا للتركيبات وتعزيز مهاراتنا.

رد فعل 1

تي دي آي + بولي إيثر → يوريتان

رد فعل 2

تي دي آي + يوريتان → ايزوسيانورات

رد فعل 3

تي دي آي + ماء → اليوريا + ثاني أكسيد الكربون

رد فعل 4

تي دي آي + اليوريا → بيوريت (بوليوريا)

01: التفاعلان 1 و2 عبارة عن تفاعلات نمو متسلسلة، وتشكل السلسلة الرئيسية للرغوة. قبل أن تصل الرغوة إلى ثلثي ارتفاعها الأقصى، تستطيل السلسلة الرئيسية بسرعة، مع سيطرة تفاعلات نمو السلسلة داخل الرغوة. في هذه المرحلة، ونظرًا لانخفاض درجات الحرارة الداخلية نسبيًا، فإن التفاعلات 3 و4 ليست بارزة.

02: التفاعلان 3 و4 عبارة عن تفاعلات متشابكة تشكل تفرعات الرغوة. وبمجرد أن تصل الرغوة إلى ثلثي ارتفاعها الأقصى، ترتفع درجة الحرارة الداخلية، ويتكثف التفاعلان 3 و4 بسرعة. خلال هذه المرحلة، تكون التفاعلات من 1 إلى 4 قوية، مما يمثل فترة حرجة لتكوين خصائص الرغوة. يوفر التفاعلان 3 و4 الاستقرار والدعم لنظام الرغوة. يساهم التفاعل 1 في مرونة الرغوة، بينما يساهم التفاعلان 3 و4 في قوة شد الرغوة وصلابتها.

03: تسمى التفاعلات المنتجة للغاز بالتفاعلات الرغوية. توليد ثاني أكسيد الكربون هو تفاعل رغوي وتفاعل طارد للحرارة الأساسي في رغوة البولي يوريثان. في أنظمة التفاعل التي تحتوي على الميثان، يشكل تبخر الميثان تفاعل رغوي وعملية ماصة للحرارة.

04: التفاعلات التي تؤدي إلى تكوين مكونات الرغوة تعرف باسم تفاعلات الجيلاتين، وتشمل جميع التفاعلات باستثناء التفاعلات المنتجة للغاز. يتضمن ذلك تكوين اليوريثان واليوريا والإيزوسيانورات والبيوريت (البوليوريا) من التفاعلات من 1 إلى 4.

هل سبق لك أن تساءلت كيف يتم تشكيل رغوة البولي يوريثان البلاستيكية؟ في المقال السابق، كشفنا عن التفاعلات الأساسية التي تكمن وراءها: الأيزوسيانات، والبوليولات البولي إيثر (أو البوليستر)، والماء، تعمل جميعها معًا لتكوين هذه المادة السحرية. فهل يعني هذا أننا في الإنتاج الفعلي نحتاج فقط إلى هذه المواد الخام الثلاثة؟ الجواب بعيد عن ذلك. في عملية الإنتاج الفعلية لدينا، من أجل التحكم بشكل أكثر دقة في معدل التفاعل وإنتاج منتجات ذات أداء ممتاز، غالبًا ما نحتاج إلى تسخير قوة المواد المضافة المختلفة. لا تتمتع هذه الإضافات بتطبيقات واسعة النطاق فحسب، بل يمكنها أيضًا أن تلعب دورًا كبيرًا في جعل عملية الإنتاج لدينا أكثر كفاءة واستقرارًا.

المواد الخافضة للتوتر السطحي / زيت السيليكون

تُسمى أيضًا المواد الخافضة للتوتر السطحي، والمعروفة أيضًا بزيت السيليكون، بمثبتات الرغوة. في عملية إنتاج رغوة البولي يوريثان، دورها حاسم. المهمة الأساسية لزيت السيليكون هي تقليل التوتر السطحي لنظام الرغوة، وبالتالي تحسين الامتزاج بين المكونات، وضبط حجم الفقاعات، والتحكم في هيكل الفقاعة، وتعزيز استقرار الرغوة. علاوة على ذلك، فهي تتحمل أيضًا مسؤولية منع انهيار الرغوة. ولذلك يمكن القول أن زيت السيليكون يلعب دورا لا غنى عنه في إنتاج رغوة البولي يوريثان.

المحفزات

تلعب المحفزات دورًا حاسمًا في عملية تصنيع البولي يوريثين، وذلك بشكل رئيسي عن طريق تسريع التفاعل بين الإيزوسيانات والماء والبوليولات. هذا التفاعل هو تفاعل بلمرة نموذجي. وبدون وجود المحفزات، قد يستمر هذا التفاعل ببطء شديد أو حتى لا يحدث على الإطلاق. حاليًا، تنقسم المحفزات الموجودة في السوق بشكل أساسي إلى نوعين: المحفزات الأمينية والمحفزات المعدنية العضوية. المحفزات الأمينية عبارة عن مركبات تعتمد على ذرات النيتروجين، والتي يمكن أن تعزز بشكل فعال تفاعل البلمرة للبولي يوريثان. ومن ناحية أخرى، فإن المحفزات المعدنية العضوية عبارة عن مركبات تؤثر بشكل خاص على التفاعل بين البوليولات والإيزوسيانات في تكوين البولي يوريثان، وعادة ما تكون مركبات القصدير العضوي. تكمن خاصية هذه المحفزات في قدرتها على التحكم بدقة في عملية التفاعل، مما يؤدي إلى منتج نهائي أكثر تجانسًا واستقرارًا.

وكلاء النفخ

عوامل النفخ هي مواد تولد الغاز أثناء تفاعل البولي يوريثين وتساعد في تكوين الرغوة. اعتمادًا على طريقة توليد الغاز، يتم تقسيم عوامل النفخ عادةً إلى عوامل نفخ كيميائية وعوامل نفخ فيزيائية. تشير عوامل النفخ الكيميائية إلى المواد التي تخضع لتغيرات كيميائية أثناء التفاعل، وتولد الغاز، وتعزز تكوين الرغوة. العديد من المواد الشائعة في حياتنا اليومية هي في الواقع عوامل نفخ كيميائية، مثل الماء. ومن ناحية أخرى، فإن عوامل النفخ الفيزيائية هي مواد تولد الغاز من خلال الوسائل الفيزيائية. على سبيل المثال، ثنائي كلورو ميثان (MC) هو عامل نفخ فيزيائي شائع.

إضافات أخرى

إن الاعتماد فقط على المواد الخام الأساسية ليس كافيًا لجعل المنتجات تتمتع بأداء متميز. ومن أجل تلبية الاحتياجات المختلفة، يتم دمج الإضافات الأخرى بذكاء في عملية الإنتاج، ولا ينبغي الاستهانة بأدوارها. على سبيل المثال، يمكن لمثبطات اللهب أن تضيف مقاومة للهب إلى المنتجات، ويمكن لعوامل التشابك أن تعزز ثباتها، ويمكن للملونات والحشوات أن تمنح المنتجات مظهرًا وملمسًا أكثر ألوانًا، كما تلعب العديد من الإضافات الأخرى ذات الوظائف المختلفة أدوارها. هذه الإضافات المختارة بعناية هي التي تعمل على تحسين أداء المنتجات بشكل شامل وتمنح المستخدمين تجربة مستخدم أفضل.