¿Cómo calcular formulaciones de espuma de PU flexible?

El rendimiento de la espuma de PU flexible—como dureza, densidad y resiliencia—Depende en gran medida de un diseño preciso de la formulación. Si desea crear su propia espuma ideal, es esencial comprender los principios de cálculo detrás de la formulación. Este artículo lo guiará a través de los métodos básicos de los cálculos de formulación de espuma de PU flexible, llevándolo de la teoría a la práctica.

1. Reacciones químicas detrás de la espuma de PU flexible

La espuma de PU flexible se forma a través de dos reacciones químicas principales: la reacción de gelificación y la reacción de soplado. Estos deben coordinarse cuidadosamente para crear una estructura de espuma óptima.

Reacción de gelificación: Esto forma el esqueleto de espuma. Los grupos hidroxilo (&menos;OH) en el poliol reaccionan con grupos isocianato (&menos;NCO) para formar enlaces de uretano y construir una cadena de polímero fuerte.
R&menos;OH + R&prima;&menos;NCO → R&menos;NH&menos;COO&menos;R&prima;

Reacción de soplado: Esto crea la estructura celular de la espuma. El agua reacciona con los isocianatos para formar primero ácido carbámico inestable, que se descompone rápidamente para liberar gas de dióxido de carbono (CO₂) y formar una amina. La nueva amina luego reacciona con otro isocianato para formar un enlace de urea, extendiendo el polímero.
H₂O + R&prima;&menos;NCO → [R&prima;&menos;NHCOOH] → R&prima;&menos;NH₂ + CO₂↑
R&prima;&menos;NH₂ + R&prima;&menos;NCO → R&prima;&menos;NH&menos;CO&menos;NH&menos;R&prima;

2. Parámetros clave en la formulación

Para controlar con precisión las propiedades de la espuma, debe comprender y cuantificar estos parámetros fundamentales:

Índice de isocianato: La relación entre el isocianato real utilizado y la cantidad teórica necesaria para todo el hidrógeno activo (del poliol y el agua). Un índice de 100 indica una coincidencia molar perfecta.

Valor de hidroxilo del poliol: Indica reactividad, expresada en mg KOH/g. Cuanto mayor sea el valor, más sitios reactivos habrá por gramo.

Peso equivalente de isocianato: El peso molecular por mol de los grupos &-NCO. Esto es crucial para calcular el uso de isocianato.

Agua: Actúa como agente de expansión y como variable clave que afecta la densidad y dureza de la espuma. El uso típico es 1–5% del peso del poliol.

Aditivos: Los catalizadores (por ejemplo, aminas, estaño) equilibran las reacciones de gelificación y expansión, mientras que los surfactantes estabilizan la estructura de la espuma y evitan el colapso.

3. Proceso de cálculo de la formulación

Los cálculos de formulación se basan en la estequiometría para garantizar proporciones precisas de los componentes. Aquí’s el proceso paso a paso:

① Calcular moles de hidroxilo a partir de poliol:
Moles de hidroxilo = (Peso de poliol) × Valor de hidroxilo) / (56.1 × 1000)

② Calcular moles de agua:
Moles de agua = Peso del agua / 18

③ Calcular el requerimiento teórico de isocianato:
Isocianato teórico = (Moles de hidroxilo + Moles de agua) × Peso equivalente de isocianato

④ Determinar el peso real del isocianato (según el índice):
Isocianato real = Isocianato teórico × (Índice de isocianato / 100)

⑤ Estimación de la densidad teórica:
Densidad = Peso total / Volumen espumado
(Nota: No incluye perdidas ni aditivos.)

4. Ejemplo de cálculo

Supongamos una fórmula básica como la siguiente:

*Poliol: 100 g

*Índice de hidroxilo: 56 mg KOH/g

*Agua: 3 g

*Equivalente de isocianato: 140 g/mol

*Índice de isocianato: 100

Paso a paso:

*Moles de hidroxilo = (100×56) / (56.1×1000) ≈ 0,1 mol

*Moles de agua = 3/18 &asímp; 0,1667 moles

*Isocianato teórico = (0,1 + 0,1667) × 140 ≈ 37,338 g

*Isocianato real = 37.338 × (100/100) = 37,338 g

*Peso total = 100 + 3 + 37,338 = 140,338 g

*Densidad de espuma (suponiendo un volumen de espuma de 10 L): 140,338 g / 0,01 m³ &asíntoma; 14,03 kg/m³

5. Estrategias para la optimización de fórmulas

Una vez comprendidos los conceptos básicos de cálculo, puede optimizar las fórmulas para obtener el rendimiento objetivo.:

*Ajustar el índice de isocianato: Un índice más alto aumenta la dureza y la capacidad de carga, pero puede causar fragilidad. Un índice más bajo produce una espuma más suave y elástica.

*Cambiar el contenido de agua: Más agua reduce la densidad y la dureza de la espuma, haciéndola más liviana y suave. Menos agua produce una espuma más densa y firme.

*Refinar el sistema catalizador: La elección y el ajuste de los catalizadores ayudan a equilibrar las tasas de gelificación y soplado para evitar el colapso o la contracción de la espuma.

Dominar estos cálculos es sólo el primer paso. En la práctica, también deben tenerse en cuenta las variaciones de los lotes de materia prima, la eficiencia de la mezcla y las condiciones ambientales. Las formulaciones exitosas a menudo requieren múltiples pruebas de laboratorio y ajustes. Este artículo proporciona las bases para comenzar con confianza su viaje en la formulación de espuma de PU flexible.