Formación de espuma de poliuretano

El proceso de formación de espuma plástica se puede dividir en varias etapas, como se muestra en el siguiente diagrama. En la etapa inicial (Intervalo I), se genera dióxido de carbono por la reacción entre isocianato y agua, o un agente espumante externo (disolvente de bajo punto de ebullición) se vaporiza repentinamente debido al calor de la reacción, provocando un rápido aumento en la concentración de gas en el material reactivo. Una vez que la concentración del gas excede una cierta concentración de saturación de equilibrio, comienzan a formarse finas burbujas en la solución. Este proceso suele denominarse nucleación.

Relación entre cambios en la concentración de gas, nucleación y crecimiento de poros de espuma en solución

Este proceso de autonucleación (en el Intervalo II) continúa hasta que la concentración de gas alcanza un cierto rango. Cuando la nucleación avanza hasta el punto en el que ya no se generan más microburbujas, la concentración de gas en la solución continúa disminuyendo, principalmente a través de la difusión, a medida que el gas escapa hacia las microburbujas ya formadas (Intervalo III). A medida que la concentración de gas disminuye gradualmente y no se produce más gas, se alcanza una concentración de saturación de equilibrio. Después de esta etapa, no se forman nuevas burbujas y el gas de las burbujas pequeñas se fusiona en burbujas más grandes mediante difusión, formando burbujas fusionadas, o se expande debido al calor.

El comienzo del Intervalo II se puede observar por el cambio en el material reactivo que se vuelve blanco durante el proceso de formación de espuma. Por tanto, el tiempo del Intervalo I corresponde aproximadamente al tiempo de crema en el proceso de formación de espuma, que normalmente es de unos 10 segundos. La duración del Intervalo II es más difícil de determinar con precisión, pero generalmente se considera más corta que el tiempo de subida (el tiempo necesario para que la espuma alcance su volumen máximo). En formulaciones espumosas típicas, el tiempo de subida es de aproximadamente 60 a 120 segundos. Cuando se completa la formación de espuma, el intervalo III también casi termina.

La mayoría de las formulaciones espumantes incluyen ciertos agentes nucleantes de espuma, como aceite de silicona bien disperso. Esto es particularmente eficaz en el proceso de formación de espuma de plásticos de espuma de poliuretano del tipo poliéter. La función de los agentes nucleantes es asegurar una nucleación rápida y continua incluso con grados más bajos de sobresaturación del gas, lo que da como resultado poros de espuma densos y uniformes.

Además, disolver previamente una cierta cantidad de gas en el material reactivo es beneficioso para la formación de espuma y promueve la nucleación temprana. Por ejemplo, en las máquinas de espuma industriales, a menudo se inyecta una pequeña cantidad de aire en el cabezal mezclador para ajustar el tamaño de los poros. De manera similar, instalar una placa de orificio más grande en el cabezal mezclador para crear presión negativa o aumentar el espacio en el manguito del cabezal mezclador para facilitar la entrada de aire también puede mejorar la estructura de los poros.

Por el contrario, en los sistemas de formación de espuma de prepolímeros de tipo poliéter, cuando la formación de espuma se realiza con prepolímeros utilizados normalmente en la producción industrial, la desgasificación del prepolímero antes de la formación de espuma para eliminar los gases disueltos da como resultado una formación de espuma que simplemente hierve y se rompe continuamente, sin poder producir la espuma plástica deseada, independientemente. de la concentración de aceite de silicona (agente nucleante) añadido. Sin embargo, cuando se añaden previamente dióxido de carbono, aire, nitrógeno, butano o partículas sólidas bien dispersas (como polvo de cuarzo) al mismo prepolímero antes de la formación de espuma, se obtienen productos plásticos espumados uniformemente. La razón principal es que estos aditivos facilitan la nucleación de la espuma.

En el diagrama, la relación entre los cambios en la concentración de gas, la nucleación y el crecimiento de los poros de la espuma también explica por qué se utilizan fuertes catalizadores productores de gas (es decir, aquellos con un fuerte efecto catalítico en la reacción entre isocianato y agua), como el tetrametil-1,3. -butanodiamina, produce mejores poros en comparación con la etilmorfolina en la formación de espuma de prepolímero. Los catalizadores más fuertes pueden aumentar rápidamente la concentración de gas en el material, acelerando la entrada a la zona de autonucleación, promoviendo una nucleación rápida y la formación de más burbujas, lo que da como resultado poros satisfactorios.

También es muy importante agregar aceite de silicona u otros aditivos para reducir la tensión superficial del líquido. Permite una autonucleación más fácil a concentraciones de gas más bajas en comparación con materiales sin tensión superficial reducida.