ما هي العوامل التي تؤثر على جودة رغوة البولي يوريثان المرنة في رغوة الدفعات؟

لا تُحدَّد الجودة النهائية لمنتجات الرغوة المُنتَجة على دفعات بعامل واحد، بل بالتفاعل المُعقَّد بين التفاعلات الكيميائية الداخلية والظروف الفيزيائية الخارجية. ويُعَدّ استقرار عملية التفاعل والإدارة الفعّالة للحرارة عاملين أساسيين للحصول على بنية رغوة مثالية. تُحلِّل هذه المقالة بشكل منهجي العوامل الحاسمة التي تُؤثِّر على استقرار التفاعل والتوازن الحراري، بدءًا من تحضير المواد الخام ووصولًا إلى المعالجة والقولبة.

التآزر بين المواد الخام والمعدات

تبدأ عملية إنتاج الرغوة على دفعات بإعداد دقيق للمواد الخام. في التركيبة، يعمل زيت السيليكون كمثبت رغوة أساسي، وعادةً ما يُخلط مسبقًا بالماء. يُعدّ استقراره الكيميائي بالغ الأهمية، إذ يُمكن لزيت السيليكون غير المستقر (مثل المُحلل مائيًا) أن يُسبب خللًا في بنية الخلايا ويُسبب عيوبًا في المنتج.

أداء المعدات يُحدد بشكل مباشر كفاءة العملية. بناءً على المبدأ الميكانيكي:
P = F·V (القوة = القوة × السرعة)،
يجب أن يوفر المحرك طاقة كافية لتلبية الحد الأدنى من قوة الخلط، مما يحد من الحد الأقصى لحجم الدفعة. بالإضافة إلى ذلك، تُعد الاستجابة الديناميكية للمحرك - مثل عزم بدء التشغيل العالي والكبح الدقيق للتوقف المُتحكم به - أساسية لضمان دقة وقت الخلط.

ديناميكيات الخلط

يعتمد نجاح عملية الرغوة بشكل كبير على دقة الخلط. فهي لا تقتصر على مجرد خلط المواد الخام، بل تشمل أيضًا تحقيق تشتت متجانس دقيق يوفر واجهات مثالية للتفاعلات الكيميائية. وكما هو الحال في مفاهيم معدل القص في الهندسة الكيميائية، تضمن قوة القص الكافية نظام تشتت متجانس.

من المعايير المهمة السرعة النسبية بين شفرات التحريك والسائل. إذا كان مستوى السائل منخفضًا جدًا، ينخفض ​​عمق الغمر الفعال للشفرات، مما يقلل من كفاءة الخلط الفعلية رغم الحركة السطحية الشديدة. هذا أيضًا يُدخل هواءً زائدًا، مما يُضر بجودة المنتج. لذلك، تعتمد كفاءة الخلط على عدة عوامل هندسية، منها:

تصميم المحرك (مساحة بروز الشفرة، الزاوية، عمق الغمر)

أبعاد المفاعل (نسبة القطر إلى الارتفاع)

الهياكل الداخلية (على سبيل المثال، الحواجز)

ارتفاع مستوى السائل يتم تحديده حسب حجم الدفعة

تأثير العوامل الفيزيائية الخارجية

تؤثر الظروف الخارجية مثل وزن لوحة الغطاء وهندسة القالب بشكل كبير على جودة الرغوة.

ضغط صفيحة التغطية : في الرغوة المغطاة، يجب أن تتحمل الرغوة ضغط الصفيحة خلال أضعف مراحل نموها. يتطلب هذا غالبًا تعديلات في التركيبة، مثل زيادة محتوى بولي إيثر الطعم وتقليل استخدام عامل الرغوة، لتعزيز قوة الهيكل في المراحل المبكرة. حتى غطاء بوزن 10 كجم على مساحة 3 أمتار مربعة يُمارس ضغطًا يبلغ حوالي 33 باسكال فقط، وهو أقل بكثير من الضغط الجوي، ولكن توقيته خلال مرحلة النمو الهش قد يُعيق تمدد الفقاعات بشكل كبير.

هندسة القالب : تختلف إدارة الحرارة اختلافًا كبيرًا باختلاف شكل القالب. عادةً ما توفر القوالب الأسطوانية تفاوتًا في تحمل العملية مقارنةً بالقوالب المربعة. ويرجع ذلك إلى أن إجهاد الرغوة وحرارة التفاعل والغازات في القوالب الأسطوانية تتركز على طول المحور المركزي، مما يُحدث تأثيرًا حراريًا مركزيًا قويًا مع تبديد محدود للحرارة، وغالبًا ما يُسبب ارتفاعًا في درجة حرارة المركز ("القلب الأحمر"). أما القوالب المربعة ذات الهياكل الزاوية، فتُخلّ بهذا التماثل، وتسمح بتبديد الحرارة/الإجهاد في اتجاهات متعددة، مما يُتيح نطاقًا أوسع للعملية.

القصور الحراري : بالنسبة لنفس تركيبة الرغوة الصلبة، قد يكون تكوين الرغوة في الساعة السابعة مساءً صيفًا أكثر عرضة لـ"القلب الأحمر" مقارنةً بالساعة الثالثة مساءً، على الرغم من انخفاض درجة الحرارة المحيطة. ويعود ذلك إلى القصور الحراري: إذ تمتص القوالب حرارة النهار وتطلقها ببطء في المساء. ونتيجةً لذلك، يحتفظ التفاعل الطارد للحرارة في الرغوة بمزيد من الحرارة في الداخل، مما يرفع ويطيل ذروة درجة حرارة القلب.

التلوث المتبادل والتخفيف منه

في الإنتاج الفعلي، نادرًا ما تُنظف دلاء الرغوة بالكامل، لذا تختلط بقايا الدفعات السابقة حتمًا بالمواد الخام الطازجة. تتكون هذه البقايا من أجزاء يوريا ويوريثان ممتدة جزئيًا عبر السلسلة، وهي في الأساس بوليمرات أولية ذات مجموعات هيدروكسيل طرفية (-OH)، مما يُغير مسار التفاعل الأولي للنظام الجديد.

والأهم من ذلك، قد تحتوي البقايا على مونومرات TDI غير متفاعلة، حيث تستهلك مجموعات NCO الحرة فيها المحفز الطازج وتُقلل من نشاطه. تشمل استراتيجيات التخفيف الشائعة تحسين خطوات الخلط لتقصير فترة التلامس، على سبيل المثال، تشتيت TDI فورًا بعد إضافة محفزات القصدير.

والجدير بالذكر أن عملية الرغوة الدفعية تسمح بأوقات طويلة نسبيًا للكريم، مما يوفر مرونة عالية في تصميم التركيبة ويجعلها مناسبة بشكل خاص لإنتاج الرغوات المتخصصة.