Explicando la estabilidad de la espuma de poliuretano

Durante el proceso de formación de espuma de poliuretano, las burbujas iniciales que se forman son muy similares a las que se forman en un sistema de solución jabonosa. Esta similitud no se extiende a las últimas etapas de la formación de burbujas debido al rápido aumento de la viscosidad y elasticidad de la fase líquida a medida que avanza la reacción de polimerización, lo que difiere significativamente de las burbujas en un sistema de solución jabonosa. La investigación sobre el mecanismo de burbujas en sistemas de espuma acuosa sugiere que para obtener poros finos, se debe agregar una cierta cantidad de energía libre al sistema cuando un cierto volumen de gas se dispersa en un cierto volumen de líquido para formar burbujas. La relación está dada por:

△F=rA

Donde:

△F = energía libre;

r = tensión superficial;

A = área total de interfaz de la burbuja.

A partir de esta relación, se puede ver que sin suficiente energía, el sistema de espuma líquida tiende a reducir el área de interfaz, lo que lleva a la coalescencia o ruptura de las burbujas. Medidas como la solidificación rápida de la espuma antes de la coalescencia o ruptura, o la adición de aceite de silicona para reducir la tensión superficial, pueden ayudar a lograr un área de interfaz de burbuja A mayor en las mismas condiciones de energía (δF), ayudando en la producción de burbujas más finas.

Después de la formación de espuma y antes de la solidificación, la forma de las células de la espuma normalmente cambia con el tiempo debido a la difusión gradual del gas disuelto en la fase líquida hacia las burbujas y la difusión mutua del gas entre las burbujas, lo que provoca la coalescencia. Generalmente, la presión interna del gas en las celdas esféricas es mayor que la presión del líquido circundante, dada por la relación:

△P=2r/R

Donde:

R = radio de la burbuja;

r = tensión superficial.

Por lo general, la presión del gas en las burbujas más pequeñas es mayor que en las burbujas más grandes. La diferencia de presión interna entre burbujas de diferentes radios es:

△ P ² = 2r[(1/R ₁ )-(1/R ₂ )

Esta diferencia de presión hace que el gas de las burbujas más pequeñas se difunda gradualmente hacia burbujas más grandes, lo que lleva a la desaparición de las burbujas más pequeñas y al crecimiento de las más grandes con el tiempo. Reducir la tensión superficial ayuda a disminuir la diferencia de presión entre burbujas de diferentes tamaños, lo que contribuye a la estabilidad de las burbujas y al tamaño uniforme de los poros.

Prevenir la ruptura celular antes de que el polímero se solidifique es crucial para la producción de espuma. En estado líquido, esto se puede considerar a través de los siguientes conceptos:

Independientemente de la tensión superficial del líquido, no se puede obtener una espuma estable a partir de ningún líquido puro únicamente. Para lograr una espuma relativamente estable, se deben cumplir dos condiciones: el sistema debe tener al menos dos componentes, y estos componentes deben adsorberse preferentemente en la superficie de la burbuja. La tensión superficial está determinada por el tipo y la cantidad de solutos adsorbidos (principio de Gibbs).:

dr=-&suma;Γdμ

Donde:

μ = potencial químico del componente;

Γ = exceso de superficie del componente.

Con una cantidad limitada de soluto, el aumento de la superficie reduce

Γ, aumentando así el tensor superficial, lo que dificulta una mayor expansión de la superficie. Esta relación previene el adelgazamiento de la membrana celular, contribuyendo a la estabilidad de las burbujas.

La temperatura también afecta la estabilidad de las burbujas; Las temperaturas más altas reducen la tensión superficial, lo que promueve el adelgazamiento de la membrana celular y la ruptura de las burbujas. El drenaje capilar dentro de las paredes de las burbujas es otro factor que afecta la estabilidad. En el siguiente diagrama se puede ver una sección transversal ampliada de la pared de la burbuja. En el diagrama podemos ver que la acción capilar provoca el drenaje desde el punto 3 a los puntos 1 y 2, adelgazando la pared de la burbuja.

Efecto de drenaje capilar en la etapa inicial de formación de espuma

Debido a la baja energía de activación para la ruptura de la espuma, una vez que comienza la ruptura celular, a menudo se acelera, lo que lleva al colapso de la espuma. El efecto eléctrico de doble capa tiene poca influencia en este proceso. Si se acumulan cargas en ambos lados de la membrana de la burbuja, se repelen entre sí, lo que limita el adelgazamiento de la membrana. Este efecto es menos significativo en medios orgánicos con constantes dieléctricas bajas que en sistemas acuosos. Las fuerzas de Van der Waals también contrarrestan el adelgazamiento de la membrana, ya que la atracción entre superficies aumenta a medida que la membrana se adelgaza.

En resumen, los factores que previenen el adelgazamiento de la membrana y la estabilización de la espuma incluyen:

1  Aumentar la superficie, aumentando así la energía libre;

2  Reducir el exceso de superficie para aumentar la tensión superficial;

3  Aumento de la viscosidad del material;

4  Impacto mínimo del efecto eléctrico de doble capa en el adelgazamiento de la membrana.

Por el contrario, los factores que causan el adelgazamiento de la membrana y la ruptura de la burbuja incluyen:

1  Drenaje capilar;

2  Drenaje inducido por gravedad;

3  Cualquier factor que reduzca la tensión superficial, como puntos calientes o antiespumantes;

4  Fuerzas de Van der Waals entre las superficies de las membranas.

Las medidas comunes para producir espuma de poliuretano incluyen:

1  Agregar surfactantes para reducir la tensión superficial, ayudar a producir microburbujas uniformes (△F = r△A), estabilizar burbujas y reducir la difusión de gas ( △ P = 2r[(1/R ₁ - 1/ R ₂ ) ]) ;

2  Viscosidad del material en rápido aumento para reducir el adelgazamiento de la membrana y estabilizar las burbujas;

3  Incrementar la fuerza de las uniones de membranas y burbujas;

4  Reducir las impurezas para evitar la reducción local de la tensión superficial y el colapso local de la espuma, creando huecos.