لماذا تنهار رغوة البولي يوريثان؟ كشف آلية اختلال التوازن بين توليد الغاز والتَجَلُّم

تُعدّ تماثيل السكر المنفوخ حرفة صينية تقليدية: يقوم الحرفي بتسخين كتلة من الشراب اللزج، ثم ينفخ فيها الهواء عبر أنبوب بينما يقوم بتشكيلها يدويًا. يكمن سرّ النجاح في ضرورة نفخ الهواء أثناء انتقال الشراب من حالة السيولة إلى حالة اللزوجة ثم إلى حالة التماسك.

إذا كان الشراب رقيقًا جدًا، تنفجر الفقاعات على الفور؛ وإذا كان متماسكًا بالفعل، فلا يمكن نفخ الهواء فيه.

تُشبه عملية إنتاج رغوة البولي يوريثان عملية نفخ السكر تمامًا. فهي في جوهرها عبارة عن سباق ديناميكي بين توليد الغاز (تفاعل النفخ) والتصلب الذي يُكسب الرغوة لزوجة عالية (تفاعل التجلط). بمجرد أن يتجاوز تمدد الغاز قوة التحمل الميكانيكية الفعلية لهيكل البوليمر، تفقد الرغوة دعمها الهيكلي - على المستوى المجهري على شكل تمزق الخلايا، وعلى المستوى الموضعي على شكل تشققات، وعلى المستوى العياني على شكل انهيار كامل.

أولاً: تحليل تمزق الخلايا: المظاهر المجهرية لعدم كفاية التجلط

يشير تمزق الخلايا إلى انكسار أغشية الفقاعات بسبب عدم كفاية القوة أثناء عملية الرغوة، وهو ما يمثل علامة مبكرة نموذجية على عدم توازن التفاعل.

• علامات تحذيرية مجهرية : قبل حدوث التمزق، تظهر ملاحظة الرغوة المتصاعدة حديثًا ما يلي: انخفاض البقع الساطعة الداخلية (أغشية الخلايا)، وفقدان الدعامات لمعانها، ثم ظهور كسر الدعامات، مما يؤدي في النهاية إلى تمزق الخلايا.

• السبب : تكمن المشكلة الأساسية في عدم كفاية عملية التصلب. فإذا لم يكن الهيكل يتمتع باللزوجة والقوة الكافيتين، فلن تتمكن أغشية الفقاعات من تحمل الضغط الداخلي. وعادةً ما يؤدي رفع نسبة أوكتوات القصدير (محفز القصدير) بشكل معتدل إلى حل هذه المشكلة.

• التأثير المادي : يؤدي التمزق إلى اندماج الفقاعات وتسرب الغاز. ويؤدي التمزق الشديد إلى إضعاف الخصائص الفيزيائية للرغوة بشكل كبير، مما يتسبب في فقدان قوة الدعم ويصبح مقدمة لانهيار واسع النطاق.

ثانياً: دراسة التصدع: ضغوط متعددة العوامل تُسبب أضراراً محلية وعالمية

يحدث التصدع عندما لا يتزامن توليد الغاز وتكوين الهلام بشكل جيد، مما يؤدي إلى تمزق الهيكل. وتشير مواقع الشقوق المختلفة إلى مستويات مختلفة من خطر الانهيار.

• الشقوق الداخلية، والشقوق العلوية، وشقوق الزاوية السفلية : ينتج عن توليد الغاز بشكل فوري مفرط (كمية كبيرة من الأمين أو الماء) انفجارٌ عبر هيكل هلامي ضعيف لم يتشكل بعد. الشقوق الداخلية خادعة بشكل خاص، إذ يبدو السطح طبيعيًا، لكن البنية الداخلية ممزقة بالفعل.

• التصدع العام وفشل التنسيق : يؤدي ضعف التنسيق بين الصفيحة الساقطة/الغارقة وتفاعل الرغوة - مثل الارتفاع السريع للغاية أو الوضع غير الصحيح للصفيحة - إلى حدوث تشققات هيكلية كبيرة. وتتسبب هذه التشققات الكبيرة في فقدان سريع للضغط، مما يؤدي مباشرة إلى انهيار واسع النطاق.

• التشققات الناتجة عن الاحتكاك الميكانيكي : قد يؤدي عدم استواء سطح الورق السفلي، أو مقاومة النقل المفرطة، أو عدم محاذاة الورق الجانبي إلى حدوث تمزقات ميكانيكية نافذة. وعندما تكون قوة الهلام منخفضة، يتسع نطاق هذا التلف المادي بسرعة، مما يؤدي إلى انهيار هيكلي.

• اختلافات درجة الحرارة البيئية : يؤدي انخفاض درجة الحرارة المحيطة أو درجة حرارة المادة إلى إطالة المرحلة الهشة للرغوة، مما يجعل جميع أنواع الشقوق أكثر احتمالاً.

ثالثًا: انهيار الرغوة الكلي: فشل منهجي في تركيبة اللب ومعايير الآلة

عندما تتفاقم العيوب المحلية وتخرج عن السيطرة أو تكون المكونات الرئيسية غير كافية بشكل كبير، يحدث انهيار كارثي.

• توازن التركيبة الأساسية : من بين الأسباب الأكثر شيوعًا النقص الحاد في أوكتوات القصدير أو انخفاض مؤشر TDI بشكل مفرط. فبدون التشابك في الوقت المناسب، لا تستطيع شبكة البوليمر حبس الغاز، وتنهار الرغوة فور ارتفاعها.

• تأثير الحشوات الصلبة : في الرغوات ذات الخلايا الكبيرة منخفضة الكثافة، تتأثر مستويات الزيت الأبيض وكربونات الكالسيوم بشدة. يؤدي الإفراط في استخدام الحشوات إلى إضعاف أو زعزعة استقرار أغشية الفقاعات غير المتصلبة، مما قد يتسبب بسهولة في تمزق السلسلة وانهيارها.

• معايير آلة الرغوة المستمرة : يرتبط انهيار رأس الرغوة غالبًا بالمسافة بين تغذية البوليول وغرفة الخلط، وسرعة الدوران المؤقتة عند بدء التشغيل. أي تأخير لحظي في توصيل المكونات يتسبب في اختلال توازن التركيبة أثناء عملية الرغوة.

• الانكماش الناتج عن تكوين الخلايا المغلقة : هذا نوع خاص من الانهيار (الانهيار الثانوي). عندما تتصلب أغشية الخلايا بسرعة كبيرة وتحبس الغاز، يُولّد التبريد ضغطًا سلبيًا. إذا تصلب الهيكل ببطء، تنكمش الرغوة إلى الداخل كما لو كانت تعمل بالشفط الفراغي.

رابعاً: الوقاية العلمية وتحسين العمليات

للتحكم في عيوب الرغوة، يكمن المفتاح في الضبط الدقيق لضمان قدرة قوة التجلط على دعم ضغط الغاز الداخلي والحفاظ عليه في الوقت الفعلي.

• زيادة لزوجة الهيكل العظمي : قم بزيادة أوكتوات القصدير بشكل مناسب أو ارفع مؤشر TDI لضمان القوة الهيكلية قبل أن يصل توليد ثاني أكسيد الكربون إلى ذروته.

• موازنة الضغط الداخلي : التحكم بدقة في مستويات الأمين والماء لمنع توليد الغاز بسرعة مفرطة من كسر الهيكل الأولي والتسبب في تشققات في مواضع مختلفة.

• تحسين إجراءات بدء التشغيل : استخدم سرعة دوران متدرجة لتقليل تقلبات المواد أثناء الخلط الأولي وضمان الاستقرار في عملية الرغوة المستمرة.

• تشخيص العملية : راقب بعناية هيكل الدعامة والبقع الساطعة للرغوة التي تم التقاطها حديثًا - وهي إحدى أكثر الطرق المباشرة والعملية للتمييز بين الانهيار والتمزق والتشقق.

نظرة عامة على الإنتاج

إنّ عملية إنتاج رغوة البولي يوريثان ليست مجرد خلط بسيط للمكونات، بل هي عملية كيميائية معقدة ومتطورة باستمرار. ولمعالجة الانهيار والتشقق، يجب على المهندسين تجاوز تعديلات المكونات الفردية، وتطوير فهم شامل لتوازن التفاعلات على مستوى النظام. فقط عندما يظل توليد الغاز (النفخ) والتصلب (التجلط) متزامنين بشكل معقول في المراحل الحرجة، يمكن منع الانهيار الهيكلي وضمان جودة رغوة مستقرة ومتجانسة.