¿Cómo determinar la dosificación de agua en formulaciones de espuma de poliuretano flexible?

La espuma convencional que se analiza en este artículo se refiere principalmente a la espuma de poliuretano flexible tradicional producida con poliéter poliol convencional con un valor de hidroxilo de aproximadamente 56 y un peso molecular de aproximadamente 3000, junto con TDI-80.

1. Ajuste de la densidad de la espuma con agua y MC

En la formulación, 1 mol, o 18 g, de agua reacciona para generar 1 mol, o 22,4 L, de dióxido de carbono. Un mol, o aproximadamente 85 g, de MC produce 22,4 L de vapor de MC tras la vaporización.

El volumen real que aportan estos gases a medida que la espuma se desarrolla y se estabiliza también se ve afectado por factores como la velocidad de reacción, la temperatura interna de la espuma y el comportamiento de vaporización del MC.

Por lo tanto, la cantidad de agua utilizada en una formulación de espuma convencional no es necesariamente fija.

Cuando las demás condiciones principales de formulación y procesamiento son similares, y la dosificación de TDI se ajusta según el nivel de agua y el índice TDI objetivo, formulaciones como 3,7 partes de agua + 9 partes de MC, 3,8 partes de agua + 8 partes de MC y 3,9 partes de agua + 7 partes de MC pueden funcionar bajo condiciones de procesamiento adecuadas. Además, pueden producir espuma con densidades muy similares, aunque la dosificación de agua sea diferente.

2. Ajuste del equilibrio térmico con agua y MC

La reacción entre el agua y el TDI libera calor, mientras que el MC lo absorbe durante la vaporización. Por lo tanto, ajustar las cantidades de agua y MC es un medio importante para controlar el equilibrio térmico dentro de la espuma.

Utilizando las mismas tres formulaciones como ejemplos:

• Fórmula 1: 3,7 partes de agua + 9 partes de MC;
• Fórmula 2: 3,8 partes de agua + 8 partes de MC;
• Fórmula 3: 3,9 partes de agua + 7 partes de MC.

Las tres formulaciones funcionan bien bajo condiciones de procesamiento adecuadas y producen espuma con una densidad similar, pero sus cargas térmicas son diferentes. En general, la Fórmula 1 tiene la menor carga térmica, seguida de la Fórmula 2, mientras que la Fórmula 3 tiene la mayor.

El equilibrio térmico dentro de la espuma afecta además a la temperatura interna máxima, la velocidad de reacción general y el tiempo de soplado.

En condiciones similares de catalizador de amina, catalizador de estaño e índice TDI, la Fórmula 1 normalmente mostrará una temperatura interna máxima más baja, una reacción general más lenta y un tiempo de desprendimiento relativamente más largo.

3. El agua y el sistema catalizador afectan conjuntamente la reacción.

Los polioles de poliéter convencionales utilizados en este tipo de espuma tienen una reactividad relativamente baja, por lo que su reacción con el TDI se produce de forma comparativamente lenta.

Sin embargo, en las formulaciones de espuma convencionales de densidad media y baja, las cantidades de agua y TDI son relativamente altas. Por lo tanto, las reacciones entre el agua y el TDI, incluida la posterior formación de urea, constituyen una importante fuente de calor dentro de la espuma.

Los catalizadores de amina influyen significativamente en la reacción de espumado de agua-TDI, así como en el equilibrio general de la reacción. Por lo tanto, en las formulaciones de espuma convencionales, la dosificación de agua debe ajustarse junto con los catalizadores de amina, los catalizadores de estaño y otras condiciones de reacción.

4. Análisis estático y dinámico

Las tres primeras secciones examinan principalmente las relaciones entre el agua, el contenido de humedad y el comportamiento de la reacción desde una perspectiva relativamente estática. Sin embargo, en la formación de espuma real, estos factores también deben comprenderse de forma dinámica.

El primer proceso dinámico consiste en el equilibrio entre el calor generado por la reacción agua-TDI y el calor absorbido por el MC durante la vaporización. La temperatura del material, el sistema catalizador y la velocidad de reacción global influyen en cómo se genera el calor dentro de la espuma durante esta etapa.

El segundo proceso dinámico es la expansión continua de la espuma. A medida que aumenta el volumen de la espuma, el MC continúa vaporizándose y absorbiendo calor, al tiempo que la espuma también transfiere calor a su entorno. Estos procesos pueden ralentizar la velocidad a la que el calor de reacción eleva la temperatura interna de la espuma.

El tercer proceso dinámico es el aumento general de la temperatura interna de la espuma a medida que continúan las reacciones exotérmicas. Con el aumento de la temperatura, también se incrementan las velocidades de las diversas reacciones, mientras que los gases dentro de la espuma experimentan una expansión térmica. En condiciones aproximadas, por ejemplo, un gas calentado de 20 °C a 100 °C se expande hasta alcanzar aproximadamente 1,27 veces su volumen original.

Basándonos en la experiencia con formulaciones de espuma convencionales de densidad similar utilizadas en diferentes regiones, una diferencia notable suele ser la proporción entre agua y MC. El sistema de catalizador de amina se puede ajustar para adaptarse a las diferencias en las materias primas, las condiciones locales y los entornos de producción.

En la producción real, una diferencia notable en la formulación entre la espumación horizontal y la espumación vertical es que la proporción de agua a MC suele ser diferente.

En la formación de espuma vertical, la espuma ascendente necesita desarrollar suficiente resistencia estructural con relativa rapidez durante su expansión. Esto exige una mayor velocidad de reacción y un mejor desarrollo de la estructura de la espuma. En algunas formulaciones tradicionales de espuma flexible, se utiliza una mayor proporción de agua para aumentar la formación de urea y ajustar el comportamiento de la espuma.

Por lo tanto, en este tipo de formulaciones, la formación de espuma vertical con la misma densidad objetivo suele utilizar una mayor proporción de agua a MC que la formación de espuma horizontal.

En general, una vez establecidas la densidad y la dureza objetivo de una formulación de espuma convencional de densidad media o baja, la dosificación de agua no tiene por qué tener un único valor fijo y puede ajustarse dentro de un cierto rango.

Sin embargo, modificar la dosificación de agua no solo altera la cantidad de gas de soplado, sino que también afecta la demanda de TDI, la formación de urea, el calor de reacción y el equilibrio general de la reacción.

Por este motivo, la formulación final debe tener en cuenta la dosificación de MC, el índice TDI, el sistema catalizador, la temperatura de la materia prima y el proceso de espumado específico, de manera que pueda adaptarse a diferentes materias primas, máquinas, temperaturas ambiente, espumado con cabezal oscilante, espumado con canaleta de rebose, espumado horizontal, espumado vertical y otras condiciones de producción.