En septiembre de 2021, recibimos una consulta del Sr. Abdullah en Arabia Saudita sobre una máquina de espuma continua. El cliente planeaba establecer una fábrica de espuma de PU para producir productos para los mercados local y yemení. Tenía algunos conocimientos básicos sobre el uso y la selección de máquinas.

El cliente no tenía experiencia previa en la producción de espuma, por lo que estaba especialmente preocupado por el soporte postventa y la asistencia técnica.

Comenzamos analizando el mercado objetivo del cliente (industria específica) y entendiendo los requisitos locales del producto (como la densidad de la espuma, la dureza, etc.) para confirmar las necesidades de producción del cliente.

A través de videoconferencias, guiamos al cliente a través de nuestro proceso de producción de espuma de PU, brindándole una comprensión concreta de la producción de espuma y resaltando las ventajas de conveniencia y eficiencia de nuestras máquinas en comparación con las de otros fabricantes.

Basándonos en nuestros más de 20 años de experiencia en la formación de espuma, compartimos conocimientos con el cliente sobre el uso de la máquina y los desafíos comunes en el proceso de formación de espuma, abordando cualquier inquietud técnica que el cliente pudiera haber tenido.

También proporcionamos al cliente planos de distribución de la fábrica para acelerar la instalación de toda la línea de producción de espuma y al mismo tiempo maximizar la eficiencia de la producción.

Debido al alto nivel de confianza del cliente en nuestro servicio profesional, finalmente nos eligió como su proveedor de maquinaria para espuma y luego repitió compras para una línea de producción de espuma readherida y máquinas cortadoras de espuma.

Para muchas empresas de pequeña escala, aunque la línea de producción continua de espuma flexible de poliuretano ofrece un alto rendimiento, los costos también son muy altos y es posible que el mercado objetivo no requiera cantidades tan grandes. Como resultado, las líneas de producción discontinuas de espuma flexible de poliuretano se han convertido en su opción preferida. La siguiente es una introducción a la línea de producción no continua de espuma flexible de poliuretano.:

1. Equipo de proceso de espuma de caja

El proceso y el equipo de espumado en caja se han desarrollado como una nueva tecnología para satisfacer las necesidades de las instalaciones de producción de espuma de poliuretano a pequeña escala. Se basa en técnicas de producción de espuma manuales y de laboratorio, esencialmente una versión mejorada de los métodos de producción de espuma de laboratorio. Este proceso ha pasado por tres etapas de desarrollo. Inicialmente, todos los materiales componentes se pesaron secuencialmente y se agregaron a un recipiente más grande, seguido de la adición de TDI. Después de mezclar rápidamente, la mezcla se vertió inmediatamente en un molde tipo caja grande. Este método requería una gran intensidad de mano de obra, emitía altas concentraciones de gases tóxicos y planteaba importantes riesgos para la salud de los operadores. Además, las salpicaduras de materiales durante el vertido arrastrarían una gran cantidad de aire, lo que provocaría la formación de grandes burbujas de aire dentro de la estructura de la espuma e incluso provocaría el agrietamiento de la espuma. Además, había una cantidad significativa de residuos sobrantes, lo que resultaba en un desperdicio sustancial de material y altos costos de producción. 

Posteriormente, el proceso incorporó bombas dosificadoras para transportar los materiales a un barril mezclador con fondo de apertura automática. Después de mezclar a alta velocidad, la placa inferior del barril de mezcla se abriría y el aire comprimido expulsaría rápidamente el material al molde para expandir la espuma. Sin embargo, este enfoque adolecía de estructuras de poros de espuma desiguales debido al rápido flujo del material, lo que provocaba estructuras de espuma arremolinadas y problemas de calidad como grietas en forma de media luna. La tercera etapa de mejora del proceso es el dispositivo de espumado en caja que se adopta principalmente en la actualidad. Su principio fundamental de formación de espuma se ilustra en la imagen.

(a)  Medición y mezcla de materias primas      (b) espuma     (c) La espuma se eleva hasta limitar la altura

1 - Barril de Mezcla de Material Elevable; 2 - Molde de Caja Ensamblable; 3 - Placa superior de caja flotante; 4 - Cuerpo de espuma

Imagen 1: Diagrama esquemático del principio de formación de espuma en caja

El equipo de producción industrial para la formación de cajas de espuma consta principalmente de tanques de materia prima, unidades de bomba dosificadora, barriles mezcladores elevables y moldes de cajas de madera ensamblables. Como se muestra en el diagrama esquemático del equipo de espumado en caja fabricado por Hennecke (Imagen 2), las materias primas espumantes se almacenan en tanques y se regulan mediante dispositivos de control para alcanzar el rango de temperatura de procesamiento requerido, que generalmente se mantiene a 23°C ± 3°C. Secuencialmente, la bomba dosificadora inyecta poliéter polioles, catalizador, tensioactivos, agentes espumantes, etc., en el cilindro mezclador durante un tiempo de agitación de 30 a 60 minutos. A continuación, según la formulación, se introduce el TDI, ya sea directamente o a través de un recipiente intermedio con interruptor de fondo. La mezcla inmediata sigue a la adición de TDI. Dependiendo de los materiales y la formulación, la velocidad de agitación generalmente se controla entre 900 y 1000 revoluciones por minuto (r/min), con un tiempo de agitación de 3 a 8 segundos. Después de agitar, se levanta rápidamente el barril de mezcla. La parte inferior del cilindro carece de fondo y se coloca sobre la placa inferior de la caja del molde al bajar, utilizando un anillo de sellado en el borde inferior del cilindro para evitar fugas de material.

Cuando se levanta, la lechada bien mezclada se puede esparcir y dispersar directamente en la placa inferior del molde de caja, permitiendo que la espuma suba de forma natural. Para evitar la formación de una superficie abovedada en la parte superior durante la formación de espuma, se equipa una placa de molde superior que coincide con el área del molde y permite un movimiento límite hacia arriba. La caja del molde se compone principalmente de paneles rígidos de madera, con la placa inferior fijada a un carro de transporte de molde móvil. Los cuatro paneles laterales son ensamblables y cuentan con mecanismos de bloqueo de apertura y cierre rápidos. Los lados internos de los paneles están recubiertos con agentes desmoldantes a base de silicona o revestidos con material de película de polietileno para evitar la adhesión. Después de 8 a 10 minutos de maduración forzada dentro de la caja, se abren los paneles laterales de la caja del molde, permitiendo la extracción de la espuma flexible en forma de bloque. Después de 24 horas adicionales de maduración, estos bloques de espuma pueden someterse a cortes y otros procedimientos de posprocesamiento.

1 - Tanque de Materia Prima; 2 - Unidad De Bomba Dosificadora; 3 - Gabinete de control; 4 - Barril Mezclador con Dispositivo Elevador; 5 - Caja de espuma; 6 - Producto acabado con espuma; 7 - Placa flotante

Imagen 2: Equipo de espumado en caja fabricado por Hennecke (BFM100/BFM150)

El proceso y el equipo de espumado en caja exhiben características tales como operación simple, estructura de equipo compacta y sencilla, baja inversión, tamaño reducido y mantenimiento conveniente. Estas características lo hacen particularmente adecuado para pequeñas empresas dedicadas a la producción intermitente de espuma en bloque de baja densidad. Sin embargo, sus desventajas también son bastante evidentes: menor eficiencia de producción, entorno de producción menos favorable, alta concentración de gases tóxicos emitidos en el sitio, lo que requiere el uso de sistemas de purificación de gases tóxicos y de escape altamente efectivos.

Para mejorar la eficiencia de la mezcla, algunas empresas han agregado varios deflectores verticales y equidistantes a las paredes internas del barril de mezcla. Estos deflectores, combinados con agitadores tipo espiral de alta velocidad, facilitan el mezclado a alta velocidad. Este enfoque puede, hasta cierto punto, reducir los efectos del flujo laminar en el líquido de mezcla y mejorar la eficiencia de la mezcla. Un ejemplo de esto es nuestro producto, el SAB-BF3302. Para conocer la apariencia y las especificaciones técnicas del producto, consulte la Imagen 3.

Imagen 3: Máquina de espumado de cajas completamente automática (Sabtech Technology Limited)

Esta línea de producción viene con modos de control por computadora totalmente automático y de control manual. Es adecuado para producir espuma de poliuretano flexible con densidades que oscilan entre 10 y 60 kg/cm. Salida máxima de espuma: 180L. Altura de la espuma: 1200 mm. Potencia de mezcla: 7,5kW. Potencia total: 35kW.

2. Equipos para la preparación de espuma de celda abierta

La espuma de poliuretano de celda abierta es un producto de espuma funcional desarrollado en la década de 1980. Posee una alta porosidad, una estructura de red distinta, suavidad, transpirabilidad y buena resistencia mecánica. Encuentra una amplia aplicación como excelente material de filtración y absorción de impactos en transporte, instrumentación, membranas de filtración de materiales médicos y como portadores de catalizadores en la industria química. Llenarlo en los tanques de combustible de los aviones puede suprimir la agitación del aceite y reducir el riesgo de explosiones. La impregnación con suspensión cerámica y sinterización a alta temperatura da como resultado un novedoso material filtrante cerámico de celda abierta utilizado en la industria metalúrgica.

La preparación de espuma de poliuretano de celda abierta implica métodos como la hidrólisis con vapor, el remojo alcalino y la explosión. En la producción industrial se utiliza predominantemente el método de explosión. Inicialmente, se prepara espuma de poliuretano de un tamaño de poro específico mediante el proceso de espumado en caja. Posteriormente, se coloca en un equipo de red de explosión dedicado, se llena con gas explosivo y se enciende después de llenar completamente el cuerpo de espuma. Al utilizar la energía del impacto y el calor de alta temperatura generado por los parámetros de la explosión, las paredes celulares de la espuma de poliuretano se rompen y se fusionan con las paredes celulares, formando una estructura de red distinta, como se muestra en la Imagen 4.

Imagen 4: Espuma de celda abierta claramente interconectada

Se utilizan métodos como la hidrólisis con vapor o el remojo alcalino para preparar espuma de células abiertas. Sin embargo, existen problemas de baja eficiencia, mala calidad y contaminación ambiental con estos métodos. Se emplean principalmente para producción a pequeña escala, como pruebas de muestras de laboratorio. La producción a gran escala utiliza principalmente el método de explosión.

ATL Schubs GmbH, una empresa alemana, se especializa en la investigación y el desarrollo de espuma reticulada de poliuretano y fabrica la maquinaria de explosión de espuma ReticulatusTM. La cámara de explosión del equipo de explosión de espuma reticulada se presenta en dos formas: cilíndrica y rectangular. El primero es adecuado para espuma cilíndrica, mientras que el segundo es más versátil. Puede usarse no sólo para espuma cuadrada sino también para procesar espuma reticulada a partir de espuma cilíndrica, como se muestra en la Imagen 5. La cámara de explosión está construida con placas de acero de alta calidad de 100 mm de espesor. El funcionamiento está controlado por un módem de computadora y ofrece funciones como apertura y cierre automáticos, bloqueo automático, operación automática y alertas automáticas. Además, el diseño y la modificación remota de programas se pueden facilitar mediante sensores de transmisión de datos.

Imagen 5: Equipo de procesamiento de reticulación de espuma de poliuretano (ATL Schubs)

Durante la producción, se introducen en la cámara de explosión cuerpos de espuma de 3 a 6 metros de longitud destinados a la reticulación. La puerta de la cámara se cierra hidráulicamente y el aire del interior de la cámara se evacua mediante una bomba de vacío. Bajo control por computadora, se introduce una proporción precisa de gases de oxígeno e hidrógeno y la proporción de la mezcla de gases se ajusta mecánicamente en función de factores como el tipo de muestra de espuma y los requisitos de tamaño de la red. 

Los sensores monitorean continuamente el proceso, asegurando que todos los parámetros del proceso estén dentro de las condiciones especificadas antes de que se inicie la detonación controlada. La fuerza explosiva y la intensidad de la llama generada por la explosión penetran a través de todo el cuerpo de espuma, creando una estructura de red distinta. Después de la formación, el cuerpo de espuma se enfría, los materiales residuales y los gases residuales se purgan con nitrógeno y luego se puede abrir la cámara de presión para recuperar la espuma reticulada. Todo el proceso dura aproximadamente de 8 a 10 minutos. El diámetro de los poros de la espuma reticulada está dentro del rango de 10 a 100 poros por pulgada (ppi) (Nota: ppi se refiere al número de poros dentro de una pulgada).

Lo anterior proporciona una idea del proceso de producción no continuo de espuma flexible de poliuretano. Espero que esta información te resulte útil.

La estabilidad de la espuma de esponja de espuma blanda de poliuretano se refiere a si la espuma se rompe, cierra los poros, colapsa y también incluye la dureza, densidad, elasticidad, resistencia a la tracción, tamaño de los poros y otros aspectos del producto que cumplen con los requisitos del cliente. Para lograrlos, es necesario estandarizar materias primas, formulaciones y parámetros operativos, y controlar las complejas y diversas reacciones químicas en diferentes entornos.

Densidad: La densidad se mide en kilogramos por metro cúbico o gramos por centímetro cúbico. Para productos pequeños de forma irregular, no es fácil medir el área de la sección transversal. Se puede utilizar papel cuadriculado con cuadrados pequeños (como papel cuadriculado con lados cuadrados de 2 milímetros) para dibujar el área de la sección transversal del producto que se está midiendo y calcular la densidad contando cuadrados. Durante el proceso de producción se ha determinado la densidad de la formulación, el caudal, la velocidad de la cinta transportadora y el ancho de la espuma. Medir la altura de la espuma revelará la densidad de la espuma. Por ejemplo, si una esponja alcanza una altura de 95 centímetros, la densidad es de 20 kilogramos por metro cúbico. La densidad está relacionada con la formulación y también se ve afectada por la velocidad de reacción. Existe una diferencia de densidad entre la parte superior e inferior de la misma espuma.

Dureza: La dureza de la esponja se puede dividir en dos tipos. Uno refleja la dureza de la superficie del producto, utilizado para materiales de calzado, mientras que el otro refleja la dureza general del producto, utilizado para esponjas para muebles. La dureza de la espuma está relacionada con los segmentos duros, el calor y el contenido de materia prima durante la reacción, correspondiente a los materiales TDI, MC y POP. La dureza de la espuma también se ve afectada por el grado de reticulación. A medida que disminuye la densidad de la esponja, resulta difícil aumentar la cantidad de POP. Para las espumas de baja densidad y alta dureza, la atención se centra en cómo aumentar el POP y el TDI en la formulación para reducir el CM. Para espumas de densidad media-alta y alta dureza, la atención se centra en maximizar el efecto endurecedor de POP y TDI.

Elasticidad: La elasticidad está relacionada principalmente con el peso molecular del poliéter. Cuanto mayor sea el peso molecular, mayor será la resiliencia del producto. En segundo lugar, está relacionado con la formación de cadenas laterales durante la reacción de la esponja; cuantas menos cadenas laterales, mejor será la elasticidad. Reducir el índice TDI puede reducir la formación de cadenas laterales y reducir el calor dentro de la espuma también puede reducir la formación de cadenas laterales. Sin embargo, si hay muy pocas cadenas laterales, la tolerancia de la formulación no es alta y la espuma no es estable. La elasticidad de la esponja también está relacionada con el equilibrio de la formulación. Cuando una esponja de espuma común cierra sus poros, la elasticidad cae bruscamente. La espuma de alta dureza no tiene buena elasticidad, pero la espuma demasiado blanda tampoco tiene una gran resiliencia.

Resistencia a la tracción: Las esponjas para muebles se utilizan principalmente para sentarse e inclinarse, por lo que los requisitos de resistencia a la tracción no son demasiado altos. La resistencia a la tracción de la esponja está relacionada con el contenido de NCO y el grado de reticulación en los meridianos. Aumentar el índice TDI y aumentar el calor dentro de la espuma puede fortalecer el contenido de NCO y el grado de reticulación. El aumento de MC reduce el aumento de la resistencia a la tracción en muchos casos. La cantidad de TDI que una formulación puede "acomodar" está relacionada con el método de formación de espuma, como máquinas de alta presión, máquinas de baja presión y formación de espuma manual, que son diferentes. Una esponja con una alta tasa de alargamiento no necesariamente tiene una alta resistencia al desgarro. Para productos que enfatizan la resistencia a la tracción, agregar una pequeña cantidad de polvo de piedra puede reducir en gran medida la resistencia a la tracción sin perder la original.

poros: La espuma con muy buenos poros suele convertirse en espuma de gama media a alta y el precio también aumenta significativamente. La formación de poros es un problema integral y, para obtener poros uniformes, delicados y sin defectos, se debe tener un conocimiento profundo de la maquinaria, las materias primas, las formulaciones y los parámetros. La formación de poros y picaduras generalmente se debe a un exceso de aire incorporado en las materias primas durante la agitación en el cabezal de la máquina o durante el movimiento de las materias primas. También puede deberse a una mala calidad de la materia prima o a contaminación. La teoría de que las fugas de aire en las tuberías provocan poros no es sostenible. Durante la formación de espuma, la presión dentro de la tubería es mayor que la presión atmosférica fuera de la tubería. De la tubería sólo sale la materia prima y no puede entrar aire del exterior. 

La producción de espuma blanda en forma de bloque normalmente utiliza el máquina de espuma por lotes   proceso, un método de producción de tipo hueco. Este método evolucionó a partir de la espumación manual en los laboratorios. El proceso implica verter inmediatamente los materiales de reacción mezclados en un molde abierto que se asemeja a una caja de madera o metal, de ahí el nombre de "espuma en caja". Los moldes (cajas) para espuma encajonada pueden ser rectangulares o cilíndricos. Para evitar que el bloque de espuma forme una parte superior abovedada, se puede colocar una placa de cubierta flotante en la parte superior de la espuma durante la formación de espuma. La placa de cubierta permanece estrechamente unida a la parte superior de la espuma y se mueve gradualmente hacia arriba a medida que la espuma sube.

El equipo principal para la producción de espuma en caja incluye: 1) Agitador eléctrico-mecánico, barril mezclador; 2) Caja de molde; 3) Herramientas de pesaje como básculas, básculas de plataforma, tazas medidoras, jeringas de vidrio y otros dispositivos de medición; 4) Cronómetro para controlar el tiempo de mezcla. Se aplica una pequeña cantidad de agente desmoldeante a las paredes internas de la caja para facilitar la extracción de la espuma.

Las ventajas de producir espuma blanda utilizando el método de espuma en caja incluyen: baja inversión en equipo, tamaño reducido, estructura de equipo simple, operación y mantenimiento fáciles y convenientes, y producción flexible. Algunas empresas nacionales y municipales pequeñas y con fondos insuficientes utilizan este método para producir espuma blanda de poliuretano. El moldeado de espuma en caja es un método de producción no continuo para espuma blanda, por lo que la eficiencia de producción es menor que la de los métodos continuos y el equipo se opera principalmente de forma manual, lo que resulta en una mayor intensidad de mano de obra. La capacidad de producción es limitada y hay una mayor pérdida en el corte de espumas plásticas. Los parámetros del proceso para la espuma en caja deben controlarse dentro de un cierto rango porque incluso con la misma fórmula, las propiedades de la espuma pueden no ser las mismas cuando se utilizan diferentes parámetros del proceso. La temperatura de la materia prima debe controlarse a (25 ± 3) grados Celsius, velocidad de mezclado de 900 a 1000 r/min y tiempo de mezclado de 5 a 12 segundos. El tiempo de mezclado de la mezcla de poliéter y aditivos antes de agregar TDI se puede ajustar de manera flexible dependiendo de la situación, y después de agregar TDI, un tiempo de mezclado de 3 a 5 segundos es suficiente, siendo la clave un mezclado completo después de agregar TDI.

Durante el moldeado de espuma en caja, se debe prestar atención a los siguientes aspectos:

1)  Prepararse antes de la producción, incluida la temperatura del material y la inspección del equipo de la máquina;

2) Medir con la mayor precisión posible;

3) Controlar adecuadamente el tiempo de mezcla;

4) Verter el líquido del material mezclado de forma rápida y constante, evitando fuerza excesiva;

5) Asegúrese de que la caja esté colocada de manera estable, con el papel inferior plano, para evitar un flujo desigual del material durante el vertido;

6) Cuando la espuma suba, presione suavemente la cubierta para asegurarse de que la espuma suba suavemente;

7) Los aditivos deben usarse según lo especificado y los materiales premezclados no deben dejarse por mucho tiempo.

Han surgido tres tipos de equipos de espuma en el moldeado de espuma en caja. Inicialmente, se pesaron diversas materias primas en un recipiente según la fórmula, se mezclaron con una mezcladora de alta velocidad y se vertieron en el molde de caja para formar espuma y darles forma. Este método a menudo generaba residuos en el recipiente de mezcla. Un método mejorado utilizaba una bomba dosificadora para transportar las materias primas al barril de mezcla para una mezcla uniforme. Un dispositivo mecánico cerró automáticamente el fondo del barril y se utilizó aire comprimido para presionar el material en la caja de espuma para darle forma. Ambos métodos podrían crear remolinos debido a la rápida entrada de materiales en la caja, lo que podría causar defectos o depresiones en los productos de espuma. El dispositivo de espuma en caja más razonable es colocar un barril mezclador sin fondo directamente en el centro de la caja de espuma. Una bomba dosificadora transporta las distintas materias primas necesarias para la formación de espuma al barril de mezcla. Después de mezclar durante unos segundos, el dispositivo de elevación levanta el cilindro mezclador fuera de la caja de espuma, permitiendo que el material de espuma fluya suavemente sobre todo el fondo de la caja. Esto evita el agrietamiento de la espuma debido a los remolinos del material y garantiza una altura relativamente uniforme en toda la espuma.

Se puede agregar un dispositivo de presión al material de espuma en expansión para producir espuma con la parte superior plana, lo que reduce el desperdicio durante el corte. Este dispositivo es adecuado para la producción de espuma blanda de poliuretano tipo poliéter y espuma blanda en bloque de alto rebote. Para bloques de poliuretano de acetato de polivinilo, este método no se puede utilizar debido a la alta viscosidad del material y generalmente se emplean métodos continuos.

Comprender los principios detrás de las reacciones de la espuma es crucial. Para dominar la formación de espuma, debemos esforzarnos por establecer en nuestra mente un modelo de reacción de la espuma utilizando las siguientes cuatro ecuaciones de reacción. Al familiarizarnos con las variaciones dentro del modelo, cultivamos una sensibilidad que nos permite comprender todo el proceso de reacción de la espuma. Este enfoque ayuda a estructurar nuestra base de conocimientos y habilidades profesionales en espuma de poliuretano. Ya sea estudiando activamente los principios de reacción de la espuma o explorándolos pasivamente durante el proceso de formación de espuma, nos sirve como un medio vital para profundizar nuestra comprensión de las formulaciones y mejorar nuestras habilidades.

Reacción 1

TDI + Poliéter → Uretano

Reacción 2

TDI + Uretano → isocianurato

Reacción 3

TDI + Agua → Urea + Dióxido de Carbono

Reacción 4

TDI + Urea → Biuret (poliurea)

01: Las reacciones 1 y 2 son reacciones de crecimiento en cadena, formando la cadena principal de la espuma. Antes de que la espuma alcance dos tercios de su altura máxima, la cadena principal se alarga rápidamente, predominando reacciones de crecimiento en cadena dentro de la espuma. En esta etapa, debido a las temperaturas internas relativamente bajas, las reacciones 3 y 4 no son prominentes.

02: Las reacciones 3 y 4 son reacciones de reticulación, formando las ramas de la espuma. Una vez que la espuma alcanza dos tercios de su altura máxima, la temperatura interna aumenta y las reacciones 3 y 4 se intensifican rápidamente. Durante esta etapa, las reacciones 1 a 4 son vigorosas, marcando un período crítico para la formación de las propiedades de la espuma. Las reacciones 3 y 4 proporcionan estabilidad y soporte al sistema de espuma. La reacción 1 contribuye a la elasticidad de la espuma, mientras que las reacciones 3 y 4 contribuyen a la resistencia a la tracción y la dureza de la espuma.

03: Las reacciones que producen gas se denominan reacciones de formación de espuma. La generación de dióxido de carbono es una reacción espumante y la principal reacción exotérmica en la espuma de poliuretano. En los sistemas de reacción que contienen metano, la vaporización del metano constituye una reacción de formación de espuma y un proceso endotérmico.

04: Las reacciones que conducen a la formación de componentes de la espuma se conocen como reacciones de gelificación y abarcan todas las reacciones excepto las que producen gases. Esto incluye la formación de uretano, urea, isocianurato y biuret (poliurea) a partir de las reacciones 1 a 4.