ما هي مبادئ وتركيبات وتطبيقات رغوة البولي يوريثان المرنة؟

لإنتاج رغوة البولي يوريثان المرنة عالية الجودة (رغوة PU)، من الضروري فهم آلية الرغوة الخاصة بها، وحسابات التركيب الدقيقة، والاختيار العقلاني للبوليولات، والإيزوسيانات، والمواد المضافة. باعتبارها مادة حيوية تمثل ما يقرب من 50٪ من إجمالي إنتاج البولي يوريثين، تُستخدم رغوة البولي يوريثين على نطاق واسع في الأثاث والسيارات والأجهزة المنزلية والنقل والفضاء وغيرها من المجالات. مع الابتكار التكنولوجي المستمر، وخاصة منذ القرن الحادي والعشرين، أكد تطوير رغوة البولي يوريثان بشكل متزايد على حماية البيئة، وانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة المنخفضة، والضباب المنخفض، مع تحسين الأداء العام بشكل كبير.

مبادئ الرغوة: التفاعلات الكيميائية الأساسية والتوازن

إن إنتاج رغوة البولي يوريثان عبارة عن عملية كيميائية غروانية معقدة تتضمن العمل المنسق لثلاثة تفاعلات رئيسية: تمديد السلسلة، والرغوة، والترابط المتبادل. لا يمكن تحقيق بنية الرغوة والأداء المثالي إلا من خلال تحقيق التوازن الدقيق بينهما.

1. تفاعل تمديد السلسلة
هذا هو التفاعل الرئيسي الذي يشكل العمود الفقري لرغوة البولي يوريثين، والذي يحدد الخصائص الفيزيائية الرئيسية مثل القوة الميكانيكية والاستطالة والمرونة. تتفاعل الإيزوسيانات مع مجموعات الهيدروكسيل في بوليولات البولي إيثر (أو البوليستر) لتكوين روابط اليوريثين، مما يؤدي إلى سلاسل بوليمرية ذات وزن جزيئي مرتفع. يتم عادةً ضبط مؤشر الأيزوسيانات (نسبة NCO/-OH المولية) على قيمة أعلى قليلاً من 1، وغالبًا ما تكون 1.05.

2. تفاعل الرغوة
الرغوة ضرورية لتكوين الرغوة’بنية المسام، عادةً من خلال طريقتين:

الرغوة الفيزيائية : من خلال إضافة مركبات ذات نقطة غليان منخفضة (على سبيل المثال، HCFC-141b، السيكلوبنتان)، تعمل الحرارة الناتجة عن التفاعل على تبخيرها لتكوين الغاز وتشكيل المسام.

الرغوة الكيميائية : يتفاعل الماء مع الإيزوسيانات لإنتاج غاز ثاني أكسيد الكربون. يؤدي هذا أيضًا إلى إنتاج مركبات اليوريا، التي تؤثر أجزاؤها الصلبة على الرغوة’الشعور، والارتداد، ومقاومة الحرارة. لتحقيق التوازن بين هذه التأثيرات وإنتاج رغوة منخفضة الكثافة وعالية الأداء، غالبًا ما يتم استخدام هياكل أساسية من البوليول ذات الوزن الجزيئي الأعلى والأكثر مرونة.

3. التشابك (التجلط)
تعمل عملية الترابط المتبادل على تقوية بنية الرغوة من السائل إلى الصلب. يمكن أن يؤدي الربط المبكر أو المتأخر إلى انكماش الرغوة أو انهيارها. من الناحية المثالية، يجب أن تحدث عملية تمديد السلسلة، والرغوة، والترابط المتبادل في وقت واحد. هناك ثلاث طرق رئيسية للترابط المتشابك:

تشابك البوليول متعدد الوظائف : استخدام بوليولات وظيفية ثلاثية أو أعلى لتشكيل شبكة ثلاثية الأبعاد مستقرة. الوزن الجزيئي بين الروابط المتقاطعة (Mnc) هو مقياس رئيسي، عادةً 2000–2500 للرغوة الناعمة.

تكوين البيوريت : في الرغوة القائمة على الماء، تتفاعل مجموعات اليوريا أيضًا مع الإيزوسيانات الزائدة عند درجات حرارة عالية لتكوين البيوريتات، والتي تتمتع باستقرار حراري ضعيف.

تكوين الألوفانات : يمكن لمجموعات اليوريثين أيضًا أن تتفاعل مع الإيزوسيانات الزائدة لتكوين الألوفانات تحت الحرارة. يتمتع كل من البيوريتات والألوفانات بثبات حراري محدود، لذا يجب التحكم في درجة الحرارة ومؤشر NCO بدقة.

الحسابات الدقيقة واختيار المواد الخام: مراقبة الأداء

يمكن ضبط أداء رغوة البولي يوريثان بشكل دقيق عن طريق ضبط نسب المواد. الحسابات الكيميائية الدقيقة أمر بالغ الأهمية.

1. الحسابات الكيميائية
القيمة المكافئة (E): يتم حسابها عن طريق الوزن الجزيئي (Mn) مقسومًا على الوظيفة (f). بالنسبة للبوليولات، غالبًا ما يتم استخدام قيمة OH مع الصيغة:
E = (1000 × 56.1) / OH

جرعة الإيزوسيانات: بناءً على القياسات الكيميائية، يمكن حساب كمية الإيزوسيانات المطلوبة لكل مكون. لتصنيع بوليمر مسبق بنسبة NCO% محددة، يتم تطبيق الصيغة التالية:
Ws = (Es × WP × I2) / (الحلقة × &رو؛س)
Ws = كمية الأيزوسيانات؛ Wp = كمية البوليول؛ Es و Ep = القيم المكافئة؛ D = الكسر الكتلي لـ NCO.

كثافة الترابط: يتم حساب Mnc (الوزن الجزيئي بين نقاط الارتباط المتقاطع) على النحو التالي:
شركة متعددة الجنسيات = 4200 × مثلا × [(Wv + Wg) / (Wv × مثلا × د &ناقص؛ 4200 × [و.ج]
Eg = مكافئ المادة الرابطة المتشابكة؛ Wg = كمية المادة الرابطة المتشابكة؛ Wv = كمية البوليمر المسبق؛ D = محتوى NCO.

2. المواد الخام الرئيسية: البوليولات والإيزوسيانات

البوليولات: المكون الرئيسي لرغوة البولي يوريثين.

بوليولات البولي إيثر : تتراوح الأوزان الجزيئية القياسية للبولي إيثر من 1500–3000؛ الأنواع ذات المرونة العالية (HR) هي 4500–8000. تعمل البوليمرات المتعددة الكحولات (POP) والبولي يوريا المتعددة الكحولات (PHD) على تعزيز قدرة الرغوة على تحمل الأحمال والانفتاح. تعمل البوليولات منخفضة عدم التشبع على تحسين مجموعة الارتداد والضغط لرغوة HR. أصبحت البوليولات ذات القاعدة الحيوية (مثل زيت الخروع أو زيت فول الصويا) تحظى بشعبية متزايدة بسبب قدرتها على التحلل البيولوجي.

بوليولات البوليستر : تُستخدم تقليديًا في الرغوات الدقيقة، ويمكن تحسين تحللها المائي ومقاومتها للعوامل الجوية والحرارية من خلال تعديل حمض الكربوكسيليك العطري أو استخدام البولي كربونات/ε-بوليولات الكابرولاكتون.

إيزوسيانات: TDI وMDI شائعان.

MDI  يُفضل استخدامه بسبب انخفاض المركبات العضوية المتطايرة فيه وفوائده البيئية.

سائل MDI : تم تعديله ليبقى سائلاً في درجة حرارة الغرفة؛ MDI-50 (مزيج من 4،4’-MDI و 2،4’-MDI) أمر شائع.

MDI الخام (PAPI) : مع وظائف أعلى، خاصة للرغوة الصلبة، فهي’يتم استخدامه الآن أيضًا في الرغوة المرنة نظرًا لانخفاض تكلفته ولكنه يتطلب محتوى أقل من المواد الرابطة.

الإضافات الهامة: ضبط التفاعل والأداء بدقة

على الرغم من استخدامها بكميات صغيرة، فإن المواد المضافة ضرورية للتحكم في التفاعلات وخصائص الرغوة النهائية.

المحفزات : عادةً ما تكون الأمينات الثلاثية (على سبيل المثال، ثلاثي إيثيلين ديامين) وأنواع معدنية (على سبيل المثال، أوكتوات القصدير)، تستخدم لموازنة سرعات الرغوة والتجلط. توفر المحفزات الحديثة وظائف مثل التأثير المتأخر، وانخفاض المركبات العضوية المتطايرة، ومزائج المركبات (على سبيل المثال، سلسلة Dabco من شركة Air Products). تتميز محفزات أورجانوبزموت الجديدة بمقاومتها للتحلل المائي والشيخوخة الحرارية.

مثبتات الرغوة : عادةً ما تكون عبارة عن كوبوليمرات سيليكون-بولي إيثر، وهي تعمل على استحلاب المواد وتثبيت الفقاعات والتحكم في حجم المسام. قد يؤدي اختيار المثبت غير الصحيح إلى ضعف الرغوة. تتوفر مثبتات منخفضة الانبعاثات مثل Dabco DC6070 (لـ TDI) و DC2525 (لـ MDI).

عوامل النفخ : بالإضافة إلى الماء والعوامل الفيزيائية، ثاني أكسيد الكربون السائل (LCO₂) رغوة هي حل فعال وصديق للبيئة مثالي للمصانع الصغيرة والمتوسطة. 4 أجزاء من LCO₂ تطابق ~13 جزءًا من كلوريد الميثيلين، مما يقلل من كثافة الرغوة والحرارة، وبالتالي التخفيف من خطر الاحتراق التلقائي.

مثبطات اللهب : يعد الاختيار المناسب أمرًا حيويًا لتلبية معايير قابلية الاشتعال. تعمل مثبطات الاشتعال المثالية على تعزيز تكوين الفحم، وانخفاض الدخان، وانخفاض السمية. تشمل الأنواع الفعالة إسترات الفوسفات ذات الوزن الجزيئي العالي، والجرافيت القابل للتمدد، والمركبات الحلقية غير المتجانسة النيتروجينية.

الخاتمة والتوقعات

باختصار، إن إنتاج رغوة البولي يوريثان يجمع بين الكيمياء والفيزياء والهندسة. من خلال إدارة امتداد السلسلة، والرغوة، وتفاعلات الترابط بشكل دقيق، واستخدام التركيبة العلمية والمواد الخام المتقدمة، يمكن للمصنعين إنتاج رغاوي عالية الأداء مصممة لتلبية احتياجات مختلفة. بالنظر إلى المستقبل، مع وجود قواعد بيئية أكثر صرامة وتوقعات المستهلكين المتزايدة، فإن رغوة البولي يوريثان R&ستواصل شركة D التقدم نحو المواد القائمة على المواد الحيوية، والمواد المضافة منخفضة الانبعاثات، وتقنيات التصنيع الأكثر خضرة وكفاءة لدعم الابتكار الصناعي المستدام.