تشكل رغوة البولي يوريثين المرنة ما يقرب من 50% من إجمالي إنتاج البولي يوريثين وتستخدم على نطاق واسع في الأثاث والسيارات والأجهزة المنزلية والنقل والفضاء. يتطلب إنتاج رغوة عالية الجودة فهمًا عميقًا لآليات الرغوة، وحسابات التركيبة الدقيقة، والاختيار المناسب للبوليولات، والإيزوسيانات، والمواد المضافة. منذ القرن الحادي والعشرين، ركز تطوير رغوة البولي يوريثان المرنة بشكل أكبر على حماية البيئة، وانخفاض المركبات العضوية المتطايرة، وانخفاض الضباب مع تحقيق تحسينات كبيرة في الأداء.
آلية الرغوة: التفاعلات الكيميائية الأساسية والتوازن
تتضمن عملية تحضير رغوة البولي يوريثين المرنة عمليات كيميائية وغروانية معقدة، تتكون بشكل أساسي من تمديد السلسلة، والرغوة، والترابط المتبادل. من خلال تحقيق التوازن الدقيق بين هذه التفاعلات فقط يمكننا الحصول على بنية رغوة مستقرة وخصائصها.
1. تفاعل تمديد السلسلة
التفاعل الرئيسي الذي يشكل العمود الفقري لرغوة البولي يوريثين.
تحديد الخصائص الرئيسية مثل قوة الشد والاستطالة والمرونة.
تتفاعل الإيزوسيانات مع مجموعات الهيدروكسيل في بولي إيثر بوليولات لتكوين روابط يوريثان، مما ينتج عنه بوليمرات ذات وزن جزيئي مرتفع.
مؤشر الأيزوسيانات (نسبة المولي NCO/-OH) هو عادة >1، عادة حوالي 1.05.
2. تفاعل الرغوة
خطوة حاسمة لتوليد خلايا الرغوة.
الرغوة الكيميائية :يتفاعل الماء مع الإيزوسيانات لإطلاق ثاني أكسيد الكربون، مما يؤدي إلى تكوين المسام. ينتج أجزاء من اليوريا التي تؤثر على الصلابة والمرونة ومقاومة الحرارة. متوازنة باستخدام وزن جزيئي أعلى وسلسلة مرنة من البوليولات.
الرغوة الفيزيائية :تتبخر المركبات منخفضة الغليان (على سبيل المثال، السيكلوبنتان، الأيزوبنتان) من حرارة التفاعل لتكوين المسام.
3. التشابك (التجلط)
ضروري للانتقال السريع من الرغوة السائلة إلى الرغوة الصلبة.
يؤدي الترابط المبكر أو المتأخر إلى الانكماش أو الانهيار.
المسارات الرئيسية:
- تشكل البوليولات المتعددة الوظائف (الثلاثيات أو أعلى) شبكة ثلاثية الأبعاد مستقرة. الوزن الجزيئي المثالي بين الروابط المتقاطعة (Mnc) هو 2000–2500.
- تكوين البيوريت (تفاعل جانبي بين الماء والايزوسيانات).
- تكوين الألوفانات (روابط اليوريثين تتفاعل مع الإيزوسيانات الزائدة).
تتمتع روابط البيوريت والألوفانات باستقرار حراري ضعيف، مما يتطلب التحكم الصارم في درجة الحرارة ومؤشر الأيزوسيانات.
حسابات دقيقة للتركيبة واختيار المواد الخام
الحسابات الكيميائية
القيمة المكافئة (E) = Mn/f (الوزن الجزيئي / الوظيفة).
بالنسبة للبوليولات، يتم حسابها عادةً باستخدام قيمة الهيدروكسيل (OH): E = (1000 × 56.1) / OH.
المواد الخام الأساسية س
البوليولات
*بوليولات البولي إيثر :
- الرغوات التقليدية: المنغنيز 1500–3000.
- رغاوي عالية المرونة: Mn 4500–8000.
- تعمل POP (بوليمرات بوليول) وPHD (بولي يوريا بوليول) على تحسين القدرة على تحمل الأحمال والانفتاح.
- تعمل البوليولات منخفضة عدم التشبع على تحسين الارتداد وتقليل مجموعة الضغط.
- تقدم البوليولات الحيوية (زيت الخروع، زيت فول الصويا) القدرة على التحلل البيولوجي.
*بوليولات البوليستر :
- تحسين مقاومة التحلل المائي والطقس والحرارة.
- تعمل مادة البولي كربونات والبوليستر المتخصصة على تعزيز المتانة.
إيزوسيانات
*TDI & MDI :تحظى منتجات MDI بتفضيل متزايد نظرًا لامتثالها للبيئة وانخفاض نسبة المركبات العضوية المتطايرة فيها.
*MDI السائل :تم تعديله ليبقى سائلاً في درجة حرارة الغرفة لسهولة الاستخدام.
*MDI الخام (PAPI) :وظائف عالية، وتكلفة أقل، وتستخدم بشكل أساسي في الرغوات الصلبة ولكنها قابلة للتكيف أيضًا مع تركيبات الرغوة الناعمة مع نسبة منخفضة من مادة الترابط المتقاطع.
الإضافات الرئيسية للتحكم في الأداء
المحفزات:
أنواع الأمين (على سبيل المثال، ثلاثي إيثيلين ديامين) وأنواع المعادن (على سبيل المثال، أوكتوات القصدير).
توازن سرعات الرغوة والتجمد.
المحفزات الحديثة: ذات مفعول متأخر، منخفضة المركبات العضوية المتطايرة، مخاليط (على سبيل المثال، سلسلة Dabco).
المحفزات القائمة على البزموت: استقرار مائي متفوق ومقاومة للشيخوخة الحرارية.
مثبتات الرغوة:
كوبوليمرات السيليكون-بولي إيثر.
الوظائف: الاستحلاب، تثبيت الفقاعات، التحكم في حجم المسام.
تتوفر أنواع صديقة للبيئة منخفضة الضباب (على سبيل المثال، DC6070 لـ TDI، وDC2525 لـ MDI).
عوامل النفخ:
الماء والهيدروكربونات وثاني أكسيد الكربون السائل (LCO₂).
LCO₂: 4 أجزاء تعادل حوالي 13 جزءًا من ثنائي كلورو الميثان، يقلل الكثافة ويزيل حرارة التفاعل.
مثبطات اللهب:
مفتاح للامتثال لمعايير قابلية الاشتعال.
مرغوب فيه: مكون للفحم، قليل الدخان، قليل السمية.
فعّالة: مثبطات جزيئية كبيرة تعتمد على الفوسفور، الجرافيت القابل للتمدد، الحلقات غير المتجانسة المحتوية على النيتروجين.
الملخص والتوقعات
إن إنتاج رغوة البولي يوريثين المرنة يدمج الكيمياء والفيزياء والهندسة. من خلال التحكم في تمديد السلسلة، والرغوة، وآليات الترابط المتبادل، جنبًا إلى جنب مع تصميم التركيبة الدقيق واختيار المواد الخام المتقدمة، يمكن للمصنعين تخصيص أداء الرغوة لتطبيقات متنوعة.
وستركز الاتجاهات المستقبلية على البوليولات الحيوية والمواد المضافة منخفضة الانبعاثات وتقنيات الإنتاج الصديقة للبيئة لتلبية متطلبات الاستدامة واللوائح البيئية الأكثر صرامة.