Proceso de espumación en un solo paso de espuma blanda a base de poliéster

(1) Materias primas

Las materias primas de poliéster suelen ser poliésteres elaborados a partir de ácido adípico y etilenglicol u otros grados de poliéster de ácido adípico. En algunos casos, se utilizan pequeñas cantidades de poliéster de ácido dímero alifático. Los isocianatos suelen ser TDI 80/20 y TDI 65/35.

(2) Fórmula espumosa

Según los requisitos del proceso y del rendimiento del producto, se utilizan diferentes materias primas y fórmulas de espumado. Una fórmula típica para el proceso de espumado en un solo paso de espuma blanda a base de poliéster de densidad media es la siguiente:

• Poliol de poliéster: 100 partes
• Agua: 1,5–3 partes
• Tensioactivo no iónico: 1,5–3,0 partes
• Catalizador de amina terciaria: 0,5–1,5 partes
• TDI 80/20 o 65/35 (índice NCO: 1,03–1,07)

Durante el proceso de espumado en un solo paso, la fórmula anterior se divide generalmente en dos o más componentes, que se introducen proporcionalmente desde tanques de almacenamiento mediante varias bombas dosificadoras de precisión en un cabezal mezclador de alta velocidad. Los componentes se mezclan rápidamente y de forma uniforme con agitación a alta velocidad, y se inyectan en una cinta transportadora (para la producción de espuma en bloque) o en un molde (para la producción de espuma moldeada) para su formación. El tiempo de mezcla suele ser de 1 a 5 segundos, y el tiempo que tarda la espuma en blanquearse (es decir, el inicio de la formación de espuma) es de 4 a 6 segundos. El tiempo de formación de espuma suele oscilar entre 40 y 80 segundos. Una vez solidificada, la espuma se cura durante 2 horas a 100 °C para obtener el producto plástico de espuma. Alternativamente, se puede dejar a temperatura ambiente durante una semana para alcanzar la resistencia deseada.

La cantidad real de isocianato en la fórmula se puede calcular utilizando la siguiente fórmula:

• Referencia: 100 partes de poliéster (o poliéter)

• A = TDI (para poliéster o poliéter)

= [Valor de hidroxilo + Valor de acidez] * [(87 * 100) / (56 * 1000)]

= (Índice de hidroxilo + Índice de acidez) * 0,155

• B = TDI (cantidad de sustancia en el agua)

= [Contenido de agua en poliéster (o poliéter) + agua libre añadida] * (174 / 18)

= Contenido total de agua * 9,6

• Cantidad total teórica de TDI = A + B

• Consumo real de TDI = Cantidad teórica de TDI * Índice de TDI

(3) Factores de proceso en la formación de espuma

1. En teoría, el índice de TDI debería ser del 100 %. Sin embargo, en la práctica, debido a reacciones secundarias, se consume algo de TDI. Considerando la velocidad de reacción y la necesidad de mejorar el rendimiento del producto (especialmente el envejecimiento en húmedo), el índice de TDI generalmente se controla entre el 103 % y el 110 %. Si supera el 110 %, puede provocar la formación de poros gruesos en la espuma o la aparición de grietas.

2. La proporción isomérica del TDI también afecta el proceso de espumación. Para la misma fórmula, el uso de TDI 65/35 resulta en un tiempo de espumación más corto y una temperatura exotérmica más alta (por ejemplo, la temperatura exotérmica del TDI 65/35 es de 100-102 °C, mientras que la del 2,4-TDI al 100 % es de 87-92 °C). 3. Esto se debe principalmente al impedimento estérico del 2,4-TDI. Un aumento en la proporción de 2,4-TDI también suaviza el producto. Estos factores pueden ajustarse mediante la cantidad de catalizador y el peso molecular del poliéster en la fórmula.

3. La suavidad del producto de espuma se puede ajustar controlando el número de grupos funcionales y el peso molecular del poliéster, es decir, ajustando la densidad de reticulación en las moléculas de polímero.

4. La densidad del producto espumoso puede ajustarse mediante la cantidad de isocianato, agua o agente espumante externo. Cuanto más se use, menor será la densidad del producto. Por ejemplo, la relación entre las diferentes cantidades de isocianato y agua en el proceso de espumación de un solo paso y la densidad del producto espumoso se muestra en la siguiente tabla:

5. Los agentes espumantes externos pueden ser líquidos de baja volatilidad, como el diclorometano, el 1-fluoro-3-clorometano, etc., siendo el 1-fluoro-3-clorometano el más adecuado. La adición de agentes espumantes externos no solo reduce la densidad del producto, sino que también lo suaviza. Además, pueden eliminar el calor de reacción durante la vaporización, lo cual resulta especialmente útil en la producción de productos de espuma en bloque de gran tamaño. El rango de uso típico es del 5 % al 15 %. A medida que aumenta la cantidad de agente espumante externo, disminuye la estabilidad de la espuma. Debido a la contaminación atmosférica causada por el CFC-11, se pueden utilizar alternativas como el HFC-141b o el HFC-145fa.

6. Los catalizadores que se suelen utilizar incluyen etilmorfolina, N-metilmorfolina, trietilendiamina, trietilamina, dietilaminoetanol, octoato de estaño, dibutilestaño y diversos compuestos metálicos. También se pueden utilizar catalizadores compuestos.

7. La función principal de los surfactantes de cadena larga es aumentar la miscibilidad de los materiales, garantizando celdas de espuma uniformes y estabilizando la espuma para evitar la contracción del producto. Su uso típico es del 1% al 2,5% del contenido de poliéster. Una cantidad excesiva puede causar celdas de espuma gruesas y el colapso de la espuma.

8. También se pueden incluir otros aditivos en la fórmula, como el aditivo A-3 de Mobius Company para mejorar la emulsificación y prevenir la contracción, el A-7 y el A-9 para retrasar la solidificación de la superficie de la espuma y evitar el agrietamiento, o pequeñas cantidades de aceite mineral, como Kaydol, que se utiliza en la producción de productos de espuma microporosa. El uso típico es del 0,05 % al 0,2 % del contenido de poliéster.

9. En la espumación mecánica, factores como el tipo de cabezal mezclador, la fuerza de corte, la velocidad de agitación, el tiempo de residencia, la contrapresión del cabezal mezclador y el diámetro de salida del cabezal mezclador influyen significativamente en el tamaño de las celdas de espuma, la estructura porosa y el rendimiento del producto final. Generalmente, una velocidad de agitación lenta o un tiempo de residencia insuficiente suele provocar celdas gruesas, secciones huecas o grietas. A medida que aumentan la velocidad de agitación y el tiempo de residencia, el tamaño de las celdas de espuma se vuelve más fino. Sin embargo, una vez que estos factores superan cierto límite, pueden formarse celdas gruesas y espuma colapsada. El diámetro de la salida del cabezal mezclador también afecta el tamaño de las celdas de espuma. Un diámetro de salida menor puede ayudar a reducir el tamaño de las celdas de espuma, pero si es demasiado pequeño, puede producirse agrietamiento de la espuma.

10. Durante la mezcla mecánica, pequeñas cantidades de aire que entran en el cabezal mezclador pueden reducir el tamaño de las celdas de espuma, pero grandes cantidades de aire pueden generar celdas grandes. Además, la presencia de polvo o contaminantes en el sistema de espumación puede causar poros grandes o microporos.

11. Para garantizar la estabilidad del rendimiento del producto y una buena repetibilidad en el proceso, es fundamental controlar estrictamente la temperatura del material. La temperatura recomendada suele ser de (24 ± 3) °C y, en la práctica, suele mantenerse dentro de ± 1 °C.

Los factores de control de procesos mencionados representan tendencias generales. En la producción real, dependiendo de las materias primas y los requisitos de rendimiento del producto, las fórmulas y las condiciones del proceso pueden ajustarse según corresponda para cumplir con los requisitos.