ما هي العوامل الرئيسية في تصميم تركيبة رغوة البولي يوريثان المرنة التي تؤثر على الأداء والتكلفة والاستقرار؟

1. التشكيل الأساسي: التفاعلات الكيميائية ومحددات الكثافة

يعتمد تشكيل رغوة البولي يوريثان المرنة على نظام تفاعل بين بولي إيثر بوليول (ثلاثي الوظائف بشكل أساسي، قيمة هيدروكسيل ≈ 56 ملغ هيدروكسيد البوتاسيوم/غرام) وإيزوسيانات (TDI 80/20). تحدث عمليتان رئيسيتان متزامنتان في النظام:

البلمرة (التجلط): يتفاعل TDI مع هيدروكسيل البولي إيثر لتشكيل العمود الفقري للبولي يوريثين.

تفاعل الرغوة: يتفاعل TDI مع الماء لتوليد ثاني أكسيد الكربون. هذا هو العامل الأساسي الذي يحدد الكثافة، بناءً على قياسات دقيقة: يستهلك جزء واحد من الماء نظريًا 9.67 جزء من TDI.

يعتمد التحكم في الكثافة بشكل أساسي على كمية عامل النفخ. مع زيادة الكثافة المستهدفة، تنخفض كمية الماء في التركيبة بشكل ملحوظ (على سبيل المثال، من 7.0 أجزاء إلى 2.5 جزء لكل مائة بوليول). تتطلب الرغوات منخفضة الكثافة عوامل نفخ فيزيائية تكميلية (مثل DCM)؛ ويجب التحكم في جرعاتها بعناية لتجنب إزالة الحرارة الزائدة والتأثير على عملية المعالجة.

II. ذراع اللب: مؤشر NCO للتحكم في الصلابة والاقتصاد

مع تحديد الكثافة، يعتبر مؤشر الأيزوسيانات (مؤشر NCO) هو الرافعة الرئيسية للتحكم في صلابة الرغوة وأداء تحمل الحمل، ويتم ضبطه عادة بين 100 و120.

الربط بين الأداء والهيكل: تؤدي زيادة مؤشر NCO إلى زيادة صلابة الرغوة بشكل ملحوظ، ولكنها في الوقت نفسه تقلل من قوة التمزق والاستطالة عند الكسر. قد يؤدي الارتفاع المفرط في المؤشر إلى زيادة ارتفاع درجة حرارة ما بعد المعالجة، مما يُحفز الاحتراق أو تكوين خلايا مغلقة. في أنظمة الرغوة اللينة التي تعمل بالماء فقط، غالبًا ما يُثبت مؤشر NCO عند 95-103 لتحقيق صلابة أعلى.

نقطة التوازن بين التكلفة والفائدة: عندما يتجاوز مؤشر NCO 100، يمكن أن يخضع فائض TDI لتفاعلات ثانوية عند درجات حرارة مرتفعة مع مجموعات البيوريت أو الكاربامات، مما ينتج عنه هياكل البيوريت واليوريثان-اليوريا. تُحوّل هذه التفاعلات الثانوية TDI الزائد بالكامل إلى بنية بوليمرية، وهي من أكثر الطرق اقتصادية لزيادة الصلابة. الحد الاقتصادي هو: إذا تجاوز سعر وحدة PU 1.176 × سعر وحدة TDI، فإن رفع مؤشر NCO لزيادة الصلابة يصبح الخيار الاقتصادي.

ثالثًا: استراتيجيات التحسين: تعديل المواد وضبط التكاليف

يركز تحسين الصناعة على تحسين التكلفة والأداء والاستقرار، وتشكيل ثلاثة مسارات ناضجة:

أ. تحسين نظام الرغوة وتسويات التكلفة
باختيار بولي إيثرات ذات درجات حرارة عالية لمقاومة الأكسدة (150-190 درجة مئوية)، يمكن تحسين مقاومة الرغوة للحرارة. يوفر هذا هامش ربح آمن لاستراتيجية "تقليل عوامل النفخ الفيزيائية وزيادة تكلفة الماء". ونظرًا لأن الماء أرخص بكثير من عوامل النفخ الفيزيائية، ولأن TDI الزائد يُصبح وزنًا للمنتج، يُظهر تحليل شامل للفوائد أن هذا التعديل يُخفض التكلفة الإجمالية للمواد الخام بشكل فعال. ويتطلب تحقيق ذلك مضادات أكسدة مركبة عالية التركيز (مثلًا، 1500-3000 جزء في المليون).

ب. تطبيقات الحشو وتحسين الأداء
يعد إضافة الحشوات طريقة شائعة لتحسين أداء الضغط والفعالية من حيث التكلفة للرغوة الناعمة.

بوليمر بوليول (POP): باعتباره حشوًا عضويًا عالي الجودة، عندما يتم خلط POP مع بولي إيثر ويتم التحكم في إجمالي المواد الصلبة بنسبة 5-10%، فإنه يحسن بشكل كبير من المرونة والقدرة على تحمل الحمل - وهو مفتاح لتحقيق الأداء العالي.

الحشوات غير العضوية: تتميز الكربونات والسيليكات والحشوات غير العضوية المماثلة بانخفاض تكلفتها، وتُحسّن صلابة الانبعاج، وتُقلل من انكماش الرغوة. وقد طرح موردو البولي إيثر بوليولات بوليمرية مُعدّلة (مواد صلبة إجمالية تتراوح بين 5 و12%) لدعم هذا التوجه نحو التحسين.

رابعًا: استقرار العملية: التوازن الإضافي وقيود العملية

يتطلب إنتاج الرغوة الناعمة المستقرة موازنة المواد المضافة ومعايير العملية لضمان استقرار التفاعل وإنتاجية المنتج:

توازن المحفز: تضبط المحفزات المعدلات النسبية للرغوة والتجلط. تُسرّع المحفزات الأمينية (مثل A33) عملية الرغوة بشكل رئيسي؛ بينما تُسرّع المحفزات العضوية القصديرية (مثل T-9) عملية التجلط بشكل رئيسي. يجب أن تكون جرعات المحفز دقيقة: فالكميات غير الكافية تؤدي إلى تشقق الرغوة، بينما قد تُسبب الكميات الزائدة ارتفاعًا سريعًا في اللزوجة وانكماشًا في الخلايا المغلقة.

معايير العملية: تؤثر درجة حرارة المواد الخام بشدة على توازن التفاعل (الوضع الأمثل ٢٥±٣ درجة مئوية)؛ وتؤدي زيادة درجة الحرارة إلى تسريع عملية البلمرة بشكل ملحوظ. كما تؤثر العوامل البيئية، كالارتفاع، على تكوين الرغوة؛ ففي المرتفعات، تميل كثافة الرغوة إلى الانخفاض بشكل ملحوظ.

الخامس. الملخص

تصميم تركيبة رغوة البولي يوريثان المرنة هو نظام مترابط متعدد العوامل. من خلال الموازنة الدقيقة لمؤشر NCO لتحقيق الأهداف الاقتصادية وأهداف الأداء، والجمع بين تحسين نظام الرغوة وتعديلات POP وغيرها من مواد الحشو، يمكن للمصنعين تحسين التكاليف مع ضمان استقرار المنتج وقدرته العالية على تحمل الأحمال.