Impacto del grado de reticulación en las principales propiedades del poliuretano

En el poliuretano, aparte de la influencia de la composición del segmento de cadena dentro de la molécula, el grado de reticulación es un factor estructural primario que afecta sus principales propiedades. La extensión de la reticulación impacta directamente el rendimiento de los productos de espuma y está relacionado con el peso molecular y la funcionalidad de los polioles y poliisocianatos utilizados, siendo los polioles particularmente significativos. La variedad, la selección y la cantidad de uso de polioles permiten control sobre la densidad de enlace cruzado del producto ajustando el peso molecular y la funcionalidad de las materias primas, produciendo así productos de espuma con propiedades variables de suave a rígido.

La evidencia empírica muestra que los polioles utilizados en la espuma blanda generalmente tienen una funcionalidad de 2-4, con una relación de peso molecular a funcionalidad (M/F, anteriormente equivalente) de alrededor de 1000. Algunos productos excepcionalmente blandos pueden alcanzar un M/F de 1000-1500. Para las espumas rígidas, la funcionalidad de poliéter polioles varía de 3-8, con un m/f entre 100-150. Las espumas semi-rígidas usan poliéter poliételes con M/F y valores de funcionalidad entre estos rangos o una mezcla de dos polioles.

En productos blandos, diferentes densidades de reticulación también afectan el rendimiento de la espuma. Los investigadores han estudiado espumas blandas hechas de diversas proporciones de poliéter de poliéter difuncionales y trifuncionales con 80/20 TDI para observar el efecto de las diferentes densidades de reticulación y densidades de los anillos aromáticos, los grupos de uretano y urea en el rendimiento de la espuma.

Los productos de espuma hechos de poliéteres con diferentes proporciones de grupos difuncionales y tetrafuncionales muestran tendencias similares. Cuando la densidad de enlace cruzado es baja (alto valor de MC) y la densidad de los anillos aromáticos, el uretano y los grupos de urea disminuyen, la espuma es más suave, con menor resistencia a la tracción y carga de compresión, pero un mayor alargamiento y una mejor flexibilidad a baja temperatura. A densidades similares de enlace cruzado (valores de MC de 3375 y 3385), si aumenta el contenido de los anillos aromáticos, el uretano y los grupos de urea, los productos se vuelven más difíciles con un mayor módulo mecánico a altas temperaturas. Comparando dos espumas con diferentes densidades de enlace cruzado, pero densidades similares de anillos aromáticos y grupos de uretano/urea, la espuma con menor densidad de reticulación (mayor valor de MC) tiene una mejor flexibilidad de baja temperatura, mientras que la espuma con mayor densidad de enlace cruzado tiene una mayor rigidez torsional.

Utilizando diferentes proporciones de diisocianato de poliéter y tolueno trif-funcional y tetra-funcional en un proceso de espuma de un solo paso, la relación entre la densidad de enlace cruzado (valor MC) y el módulo de tracción, el alargamiento y la hinchazón en la dimetilacetamida se pueden observar en la Figura 1. Con una mayor densidad de reticulación (valor de MC más bajo), la espuma es más difícil con mayor resistencia a la tracción pero tasas de alargamiento e hinchazón más bajas. A medida que aumenta el valor de MC, la alargamiento y las tasas de hinchamiento aumentan, mientras que la resistencia a la tracción disminuye.

Figura 1: Relación entre el valor m (calculado) y las propiedades de la espuma de poliuretano poliéter

Para productos de espuma blando con una densidad de 35.2-40.0 kg/m³, El efecto de la densidad de reticulación sobre la resistencia a la compresión (carga de compresión) se muestra en la Figura 2. El valor de MC y el recíproco de resistencia a la compresión tienen una relación lineal, con desviaciones principalmente debido a diferencias en los anillos aromáticos y el contenido de uretano en la espuma. Esta relación también se observa en productos de espuma de alta densidad.

Figura 2: Relación entre el valor de MC y el recíproco de la resistencia a la compresión

El conjunto de compresión es un indicador importante de la recuperación de la elasticidad de la espuma, medido por la espuma comprimida a la mitad de su altura original, tratándola en 70°C durante 22 horas y medir la recuperación de la altura a temperatura ambiente después de 30 minutos. El cambio porcentual en la altura es el valor del conjunto de compresión; Cuanto mayor sea el valor, más pobre es el rendimiento. La densidad de enlace cruzado afecta significativamente el valor del conjunto de compresión, con valores más pobres cuando el valor MC está por debajo de 1200.

Las espumas de alta resiliencia con agentes de reticulación difieren estructuralmente de las espumas blandas de poliuretano generales, lo que lleva a diferentes propiedades. La introducción de agentes de reticulación como la dietanolamina forma nuevos puntos de reticulación, mejorando significativamente la tasa de rebote en comparación con las espumas sin tales agentes.

La relación entre la densidad de enlace cruzado y las propiedades de la espuma rígida sigue tendencias similares. El aumento de la densidad de enlace cruzado mejora la resistencia a la compresión, la resistencia a la temperatura, la estabilidad dimensional y la permeabilidad del vapor de agua, pero reduce la resistencia a la tracción y el alargamiento. La densidad de reticulación excesiva o los valores M/F muy bajos hacen que el producto sea frágil, y las reacciones exotérmicas altas durante el proceso de espuma de un solo paso, complican el procesamiento y aumentan los costos, ya que los polioles son generalmente más baratos que los isocianatos. Por lo tanto, la densidad de enlace cruzado generalmente no es excesivamente alta, y los polioles tienen valores M/F entre 75 y 150.

La temperatura afecta significativamente la morfología del polímero, y cada polímero tiene su curva característica. La Figura 3 muestra la curva de módulo de temperatura de un polímero típico. Debajo del punto A ', el polímero está en estado vítreo, siendo una' temperatura de transición de vidrio. Por encima de A ', las cadenas moleculares comienzan a girar, el módulo cae rápidamente y el material entra en un estado gomoso. El calentamiento adicional al punto C provoca una caída repentina en el módulo, lo que indica un estado de fluido, donde las cadenas de polímeros reticuladas comienzan a romperse.

Figura 3: Relación entre módulo y temperatura para un polímero típico

Para una espuma de poliuretano rígido ideal, la temperatura de transición del vidrio debe estar por encima de la temperatura ambiente. Los elastómeros y las espumas blandas tienen temperaturas de transición de vidrio por debajo de la temperatura ambiente. Para lograr una buena resistencia química, es necesario una alta resistencia a la temperatura en las espumas rígidas, es necesario componentes de alta funcionalidad y alto contenido aromático, aunque esto reduce la resistencia y alargamiento a baja temperatura. Las espumas blandas que requieren un buen rendimiento de alta temperatura deben usar alcohol trihídrico e isocianato para formar fuertes enlaces cruzados químicos.

En conclusión, comprender cómo varios factores estructurales en el rendimiento del poliuretano afectan el rendimiento de la predicción y el diseño de los productos de espuma con las propiedades deseadas, que van desde espumas suaves hasta rígidas.

Comprender cómo la reticulación afecta las propiedades de la espuma es solo el comienzo. Poner en práctica la teoría, elegir una máquina de fabricación de esponjas estable y de alta precisión es clave. Nos especializamos en maquinaria profesional de espuma de poliuretano que mejora la calidad del producto y la eficiencia de producción.

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