Cambios en la viscoelasticidad y elasticidad durante el proceso de formación de espuma de espuma de poliuretano

Para comprender el mecanismo de formación de espuma, es esencial comprender los cambios viscoelásticos y elásticos de los materiales de poliuretano durante la formación de la espuma. Al preparar espuma de poliuretano flexible, las materias primas líquidas inicialmente experimentan un rápido aumento de viscosidad a medida que generan burbujas a través de la reacción, transformándose gradualmente en un coloide y luego evolucionando hacia un polímero altamente elástico. De manera similar, la espuma de poliuretano rígida se forma cuando las materias primas líquidas se gelifican para formar un polímero termoestable. Los cambios en la viscoelasticidad y elasticidad de estos materiales son cruciales para la estructura y estabilidad de la espuma.

Durante la formación de espuma de poliuretano flexible, se producen dos cambios simultáneos en el sistema.:

La generación de gas provoca la expansión y el crecimiento del material formando burbujas que se elevan dentro del sistema.

Las materias primas experimentan reacciones en las que las cadenas moleculares crecen, se ramifican y se reticulan, transformando el material inicialmente líquido en un polímero termoplástico soluble de alta viscosidad con un peso molecular moderado. Otras reacciones conducen a ramificaciones y reticulaciones, aumento del peso molecular y transición de estructuras moleculares lineales a estructuras moleculares en red. En un estado ideal, esta estructura de red exhibe una viscosidad mínima, con una viscosidad dinámica casi acercándose a cero.

La investigación que utiliza reómetros de resonancia oscilatoria ha estudiado los cambios de viscosidad y elasticidad durante la formación de espuma de prepolímero de poliéter, revelando tendencias en la formación de espuma como se muestra en el siguiente gráfico.

Si bien estas variaciones de las curvas pueden diferir ligeramente de las observadas en la producción de espuma industrial, reflejan tendencias similares en la formación de espuma de poliuretano, lo que ofrece ideas prácticas. Según las mediciones, el tiempo para alcanzar la altura máxima de formación de espuma es de aproximadamente 7 minutos (25 minutos en la producción real de espuma de poliuretano flexible a base de prepolímero de poliéter), la viscosidad dinámica máxima alcanza su punto máximo alrededor de los 10 minutos, seguido de una disminución, y alcanzar la máxima elasticidad lleva alrededor de 10 minutos. 100 minutos.

El gráfico también ilustra que durante la generación de gas, el volumen de gas producido excede consistentemente el crecimiento del volumen de la espuma. En las etapas finales de generación significativa de gas, aunque la viscosidad dinámica de las paredes de las burbujas aumenta rápidamente, dificultando su flujo, la curva de crecimiento de la elasticidad permanece en una fase de crecimiento lento. En esta etapa, las paredes de las burbujas no cumplen con las demandas de expansión del gas, lo que resulta en la ruptura de las paredes de las burbujas y el escape del gas, formando una estructura de espuma de células abiertas.

Si, durante el pico de generación de gas, el crecimiento del peso molecular del sistema es lento y la resistencia de las paredes de las células de espuma y de la estructura de la red es insuficiente para soportar la presión de expansión del gas, las paredes de espuma inevitablemente se rompen. Debido a la baja energía de activación requerida para la ruptura de la pared de espuma, una vez que comienza, se propaga más, acelerando toda la expansión de la espuma y provocando su colapso. Las roturas continuas localizadas dan como resultado estructuras de espuma huecas o agrietadas.

Por lo tanto, controlar la aparición de efectos adversos tales como estructuras de espuma huecas o agrietadas en espuma de poliuretano implica principalmente controlar las velocidades de reacción de generación de gas y el crecimiento del peso molecular, es decir, las velocidades de reacción del gel.

En el proceso de un solo paso para la producción de plástico de espuma de poliuretano, el equilibrio entre las reacciones de formación de espuma y las reacciones de gel de crecimiento de cadenas moleculares se logra variando el tipo y la cantidad de catalizadores utilizados.

Los estudios básicos sobre catalizadores revelan que los compuestos de amina ajustan principalmente la reacción entre el isocianato y el agua, catalizando tanto la generación de dióxido de carbono como las reacciones de crecimiento en cadena. Los catalizadores orgánicos de estaño promueven principalmente la reacción entre isocianato y compuestos hidroxilo, catalizando reacciones de crecimiento de cadenas poliméricas.

Ajustar la dosificación de estos dos tipos de catalizadores impacta significativamente en la preparación de espuma de poliuretano. Por ejemplo, cuando se reduce la cantidad de catalizador orgánico de estaño, la tasa de crecimiento molecular del polímero se ralentiza, lo que reduce la elasticidad de la pared celular de la espuma y la hace propensa a formar estructuras de células abiertas.

Al aumentar apropiadamente la cantidad de catalizador orgánico de estaño o reducir la cantidad de catalizador de amina orgánica, se puede mejorar la resistencia de las paredes de las células de espuma en la etapa máxima de generación de gas, reduciendo la aparición de huecos o grietas de la espuma. Por tanto, la dosificación de catalizador orgánico de estaño tiene un efecto significativo y sensible sobre la estructura de la espuma.

En condiciones normales de formulación, una dosis insuficiente de catalizador de estaño orgánico da como resultado la formación de espuma hueca, mientras que una dosis adecuada equilibra las reacciones de generación de gas y las reacciones de gel, formando estructuras de espuma finas y de células abiertas. Sin embargo, una dosis excesivamente alta acelera las tasas de crecimiento de la cadena polimérica, aumenta la resistencia de la pared celular de la espuma y da como resultado la formación de una gran cantidad de estructuras de espuma de células cerradas.

Utilizando un poliol trihidroxipoliéter de peso molecular 3000 como materia prima y empleando un proceso de formación de espuma de un solo paso, se ha estudiado específicamente la influencia de la dosificación del catalizador de dilaurato de dibutilestaño en la estructura de la celda de la espuma, como se muestra en el siguiente gráfico.

Los resultados son similares a los discutidos anteriormente. Además, se observa que:

Las espumas de poros grandes exhiben una mayor tolerancia a los catalizadores orgánicos de estaño en comparación con las espumas de poros pequeños y es más probable que formen estructuras de células abiertas.

Las conclusiones relacionadas con la formación de células cerradas basadas en las tasas de crecimiento del polímero y el grado de ramificación se han validado en la producción práctica. Los materiales con alta ramificación forman rápidamente estructuras de red, lo que aumenta la probabilidad de elasticidad molecular. En condiciones constantes, el aumento de la actividad del isocianato también aumenta la tasa de espuma de células cerradas. De manera similar, el aumento del grado de ramificación de los polímeros de poliol muestra una tendencia similar. Por ejemplo, las primeras importaciones estadounidenses de tecnología de producción de espuma de poliuretano desde Alemania utilizaron 80/20 TDI con mayor actividad, reemplazando la formulación original 63/35 TDI. Debido a la mayor actividad de este isocianato, la tasa de crecimiento de la cadena polimérica aumentó, lo que resultó en una severa contracción de la espuma. Posteriormente, la compensación con poliéter polioles de menor ramificación resolvió el problema de la severa contracción de la espuma.

Combinado con el primer gráfico, se pueden observar cambios en la estructura de la espuma debido a tasas variables de crecimiento dinámico de la viscosidad (Curva A) y crecimiento de la elasticidad (Curva B) bajo tasas constantes de generación de gas.

Aumentar la curva A, es decir, aumentar la tasa de crecimiento de la viscosidad dinámica, tiene un impacto mínimo cuando el aumento es pequeño. Sin embargo, un aumento significativo engrosa la pared celular de la espuma, lo que lleva a la formación de una estructura de células cerradas.

La disminución de la tasa de crecimiento de la viscosidad dinámica (disminución de la curva A) prolonga la fluidez de las paredes de las células de la espuma, aumentando la probabilidad de formación de células cerradas. Si la disminución de la viscosidad dinámica ocurre demasiado rápido, puede resultar en paredes celulares de espuma excesivamente delgadas, ruptura prematura de las burbujas y colapso de la espuma.

Aumentar la tasa de crecimiento de la elasticidad de la burbuja (aumentar la curva B) promueve la formación de estructuras de células cerradas.

Reducir la tasa de crecimiento de la elasticidad de la burbuja (reducir la curva B) conduce a una resistencia inadecuada en la red de burbujas, lo que hace que las paredes de las burbujas se rompan bajo la presión de la expansión del gas y la posterior dispersión, lo que da como resultado una espuma hueca o colapsada.

A diferencia de los plásticos de espuma flexibles, los plásticos de espuma de poliuretano rígidos requieren cuerpos de espuma con una alta resistencia de las paredes de las burbujas y estructuras de células cerradas. Por lo tanto, en la selección de materiales, se prefieren polímeros con estructuras altamente ramificadas para asegurar suficiente resistencia de la pared de la espuma y producir productos de espuma con buena estabilidad dimensional.