La espuma de poliuretano (espuma de PU) consiste principalmente en poliuretano como componente principal. Las materias primas incluyen principalmente poliisocianatos y polioles, con la adición de diversos aditivos, los más importantes de los cuales son una serie de agentes espumantes relacionados con el proceso de formación de espuma. Estos aditivos conducen a la producción de una cantidad significativa de espuma dentro del producto de reacción, dando como resultado productos de espuma de poliuretano. Este artículo proporciona una breve descripción de las materias primas utilizadas en la producción de espuma de PU y los agentes espumantes.


1.Poliisocianatos


Los poliisocianatos más utilizados en la producción industrial de espumas de poliuretano incluyen diisocianato de tolueno (TDI), isocianato de polimetileno-polifenilo (PAPI), diisocianato de difenilmetano (MDI) y MDI líquido (L-MDI).



TDI


El TDI se utiliza principalmente en la producción de espumas flexibles de poliuretano. El MDI tiene mayor reactividad que el TDI, menor volatilidad y algunas formas modificadas de MDI pueden usarse como sustitutos del TDI en la producción de espumas flexibles de poliuretano, incluida la espuma de poliuretano de alta densidad y la fabricación de elastómeros de poliuretano semirrígidos o microcelulares.


El PAPI, también conocido como MDI crudo o MDI polimerizado, normalmente tiene un peso molecular promedio que oscila entre 30 y 400, con un contenido de NCO del 31 % al 32 %. En el campo de las espumas plásticas, el PAPI y el PAPI modificado se utilizan principalmente para producir diversas espumas rígidas de poliuretano, y algunas también se utilizan en la producción de espumas flexibles de alto rebote, espumas de revestimiento integral y espumas semirrígidas. PAPI se puede mezclar con TDI para fabricar espumas plásticas de alto rebote y curado en frío.


2. Poliéter y polioles de poliéster


2.1 Poliéter polioles


Los polieterpolioles utilizados para la producción de espumas flexibles de poliuretano son generalmente poliéteres de cadena larga y de baja funcionalidad. En la formulación de espumas flexibles, la funcionalidad de los poliéter polioles suele estar entre 2 y 3, con un peso molecular promedio que oscila entre 2000 y 6500. Los trioles de poliéter se utilizan más comúnmente en espumas flexibles, típicamente iniciadas con glicerol (propano-1,2,3-triol) y obtenidas mediante polimerización con apertura de anillo con 1,2-epoxipropano o copolimerización con una pequeña cantidad de óxido de etileno, con un peso molecular que generalmente cae dentro del intervalo de 3000 a 7000.



Poliéter polioles


Los poliéter polioles de alta actividad se utilizan principalmente para espumas flexibles de alto rebote y pueden usarse en la producción de espumas semirrígidas y otros productos de espuma. Algunos poliéter dioles se pueden utilizar como materiales auxiliares, mezclados con poliéter trioles en formulaciones de espuma flexible. Los poliéter polioles de baja insaturación y alto peso molecular se utilizan para la producción de espumas blandas, lo que reduce la cantidad de TDI requerida.


Los poliéter polioles usados ​​en formulaciones de espuma rígida son generalmente poliéter polioles de alta funcionalidad y alto valor de hidroxilo para lograr suficiente reticulación y rigidez. El valor de hidroxilo de los poliéter polioles para formulaciones de espuma rígida suele estar en el intervalo de 350 a 650 mg de KOH/g, con una funcionalidad promedio de 3 o superior. Las formulaciones de espuma rígida suelen utilizar una combinación de dos tipos de poliéter polioles, con un valor de hidroxilo promedio de alrededor de 4000 mg de KOH/g.


Las formulaciones de espuma semirrígida a menudo utilizan algunos poliéteres de alto peso molecular, especialmente poliéter trioles de alta actividad, y algunos poliéter polioles de alta funcionalidad y bajo peso molecular de formulaciones de espuma rígida.

2.2 Polioles de poliéster


Para la producción de espumas flexibles de poliuretano a base de poliéster se pueden utilizar poliésterpolioles alifáticos de baja viscosidad, como hexanodioladipatodioles con un índice de hidroxilo de aproximadamente 56 mg de KOH/g, o poliésterpolioles ligeramente ramificados. Los polioles de poliéster tienen una alta reactividad. Actualmente, la espuma de poliuretano en bloque fabricada a partir de poliéster sólo se utiliza en unos pocos campos, como por ejemplo como material auxiliar para la confección.



Polioles de poliéster


Los poliésterpolioles aromáticos, sintetizados a partir de ácidos dicarboxílicos (como anhídrido ftálico, ácido tereftálico, etc.) y dioles de molécula pequeña (como etilenglicol, etc.) o polioles, se utilizan para producir espumas rígidas de poliuretano y espumas rígidas de poliisocianurato. Los poliésterpolioles con menor valor de hidroxilo derivados del anhídrido ftálico también se pueden usar para espumas flexibles de alto rebote, espumas de piel integral, espumas semirrígidas y materiales de poliuretano sin espuma.

2.3 Polioles poliméricos


Los polioles poliméricos, incluidos el estireno rígido, los homopolímeros de acrilonitrilo, los copolímeros y los polímeros injertados, actúan como "rellenos" orgánicos para mejorar el rendimiento de carga. Los polioles poliméricos se utilizan en la producción de espumas en bloque flexibles de alta dureza, espumas de alto rebote, espumas flexibles termoplásticas, espumas semirrígidas, espumas auto-desolladas y productos moldeados por inyección de reacción (RIM). Pueden reducir el espesor del producto, disminuir la densidad de la espuma para reducir costos, aumentar la apertura de las celdas de la espuma plástica e impartir propiedades retardantes de llama a los productos.



Polioles poliméricos


Los polioles de poliurea (dispersiones PHD) son una clase especial de polioles modificados con polímeros que se utilizan en espumas flexibles de alto rebote, espumas semirrígidas y espumas blandas, pero su presencia en el mercado es limitada.


También se utilizan algunos polioles especiales para la producción de espumas de poliuretano, como polioles a base de aceites vegetales, polioles de poliéster a base de colofonia y poliésteres poliméricos. Estos no se describen en detalle en este artículo.

Muchos factores afectan el proceso de formación de espuma y la calidad del producto final cuando se fabrica espuma flexible de poliuretano. Entre ellos, los factores ambientales naturales como la temperatura, la humedad del aire y la presión atmosférica desempeñan un papel crucial. Estos factores influyen significativamente en la densidad, dureza, tasa de alargamiento y resistencia mecánica de la espuma.


1. Temperatura:


La reacción de formación de espuma de poliuretano es muy sensible y la temperatura es un factor de control clave. A medida que aumenta la temperatura del material, la reacción de formación de espuma se acelera. En formulaciones sensibles, las temperaturas excesivamente altas pueden presentar riesgos como quemaduras e ignición del núcleo. Generalmente, es esencial mantener temperaturas constantes para los componentes de poliol e isocianato. El aumento de la temperatura conduce a una correspondiente disminución de la densidad de la espuma durante la formación de espuma.


Particularmente en verano, las temperaturas elevadas aumentan la velocidad de reacción, lo que resulta en una disminución de la densidad y dureza de la espuma, una mayor tasa de alargamiento y una mayor resistencia mecánica. Para contrarrestar la reducción de la dureza, es aconsejable ajustar el índice TDI. Los fabricantes deben ajustar los parámetros del proceso de acuerdo con las variaciones de temperatura estacionales y regionales para garantizar la estabilidad de la calidad del producto.


2. Humedad del aire:


La humedad del aire también afecta el proceso de formación de espuma de la espuma flexible de poliuretano. Una humedad más alta provoca reacciones entre los grupos isocianato de la espuma y la humedad del aire, lo que reduce la dureza del producto. Aumentar la dosis de TDI durante la formación de espuma puede compensar este efecto. Sin embargo, la humedad excesiva puede elevar las temperaturas de curado, lo que podría provocar que el núcleo se queme. Los fabricantes deben ajustar cuidadosamente las formulaciones y los parámetros del proceso de espuma en ambientes húmedos para garantizar la calidad y estabilidad del producto.


3. Presión atmosférica:


La presión atmosférica es otro factor que influye, especialmente en zonas a diferentes altitudes. El uso de la misma formulación a mayores altitudes da como resultado una densidad del producto de espuma relativamente menor. Esto se debe a las variaciones de presión atmosférica que afectan la difusión y expansión del gas durante la formación de espuma. Los fabricantes que operan en regiones de gran altitud deben tomar nota de esto y es posible que deban ajustar las formulaciones o los parámetros del proceso para cumplir con los requisitos de calidad.



En conclusión, los factores ambientales naturales impactan significativamente el proceso de formación de espuma y la calidad del producto final de la espuma flexible de poliuretano. Los fabricantes deben ajustar los parámetros del proceso en función de las condiciones estacionales, regionales y ambientales para garantizar una densidad, dureza y resistencia mecánica estables de la espuma, satisfaciendo las demandas y estándares de los clientes.

A los principiantes les preocupa que si la placa de sedimentación no se ajusta correctamente, el líquido que sale de la boquilla puede causar un aumento hacia adelante o hacia atrás, afectando el proceso de formación de espuma. Dos minutos después de poner en marcha la máquina, la velocidad de reacción aumenta gradualmente, requiriendo en ocasiones ajustes en el plato de sedimentación. Los ajustes al plato de sedimentación son más críticos en fórmulas de baja densidad y alto contenido de humedad (MC).



El caudal de TDI (diisocianato de tolueno) se puede calcular para que corresponda al valor de la escala, pero se recomienda medir realmente el caudal de TDI durante la primera formación de espuma. El caudal es demasiado importante; Si el caudal no es exacto, todo lo demás será un desastre. Lo mejor es confiar en el método más sencillo e intuitivo para medir el caudal.



Al mezclar polvos, el polvo de piedra mezclado se debe dejar durante la noche y la producción debe comenzar al día siguiente. Para los ingredientes que contienen melamina y polvo de piedra, se recomienda mezclar primero melamina con poliéter durante un período de tiempo antes de agregar el polvo de piedra.



Las fórmulas de las máquinas de espuma con una cámara de mezcla larga en el cabezal de la máquina o más dientes en el eje de agitación generalmente tienen menos amina y una temperatura del material más baja. Por el contrario, las fórmulas de las máquinas de espuma con una cámara de mezcla corta en el cabezal de la máquina o menos dientes en el eje agitador suelen tener más amina y una temperatura del material más alta.



Para la misma fórmula, al cambiar entre cabezales giratorios de doble aspersión y cabezales giratorios de aspersión simple con áreas de sección transversal de boquilla similares, los requisitos para el espesor de la malla y las capas son similares.



Para la calibración del flujo de material menor, un método es medir el flujo de retorno del material menor y el otro es calibrarlo dividiendo la cantidad total utilizada por el tiempo de formación de espuma. Cuando exista una diferencia significativa entre los dos métodos de calibración, confíe en los datos del segundo método de calibración.



Las fórmulas para espuma blanda de alta calidad suelen estar dentro de un rango inestable, como un índice TDI bajo, una relación agua-MC baja, una dosis baja de T-9 y una dosis baja de aceite de silicona.

En los incendios anuales, una proporción importante de los incendios son causados ​​por la espuma, incluidos los incendios de sofás y diversos incendios provocados por embalajes blandos. Estos incidentes ocurren con demasiada frecuencia. ¿Cómo podemos eliminar o reducir fundamentalmente tales eventos?



Un enfoque eficaz es empezar desde los materiales originales, de forma muy parecida a tratar la causa raíz de una enfermedad. Agregar retardantes de llama a la espuma de poliuretano puede prevenir eficazmente la ignición.



Ahora entendamos la espuma ignífuga.:



La espuma ignífuga, también conocida como espuma resistente al fuego, tiene el nombre químico de material de espuma de poliuretano, que se divide en espuma blanda (utilizada principalmente para muebles) y espuma rígida (utilizada principalmente para aislamiento). Generalmente, es un material ignífugo que se sintetiza añadiendo diversos retardantes de llama al poliuretano.



El efecto ignífugo del producto cumple con los requisitos de la norma ASTM 117 y las normas nacionales. El método de uso es el mismo que el de la espuma normal.



La combustión de polímeros es una reacción de oxidación muy compleja e intensa. El proceso ocurre cuando el polímero se calienta continuamente mediante una fuente de calor externa, iniciando una reacción en cadena de radicales libres con el oxígeno del aire. Esto libera algo de calor, intensificando aún más la degradación del polímero, generando más gases inflamables y haciendo que la combustión sea más severa.



Existen dos métodos para retardar la llama de la espuma resistente al fuego.:



Una es introducir químicamente elementos retardantes de llama o grupos que contienen nuevos elementos retardantes de llama en la estructura molecular de la espuma. El otro método consiste en añadir a la espuma compuestos que contengan elementos retardantes de llama. El primer método utiliza sustancias retardantes de llama llamadas retardantes de llama reactivos, mientras que el último método utiliza sustancias llamadas retardantes de llama aditivos.



Actualmente, la gran mayoría de los retardantes de llama utilizados en espumas son retardantes de llama aditivos, mientras que los retardantes de llama reactivos se utilizan principalmente en resinas termoendurecibles como las resinas epoxi y los poliuretanos. La función principal de los retardantes de llama es interferir con los tres elementos básicos necesarios para la combustión: oxígeno, calor y combustible. Esto generalmente se puede lograr a través de los siguientes medios:



Los retardantes de llama pueden producir gases no inflamables más pesados ​​o líquidos hirviendo que cubren la superficie de la espuma, interrumpiendo la conexión entre la oxidación y el combustible.



Al absorber calor mediante descomposición o sublimación, los retardantes de llama reducen la temperatura de la superficie del polímero.



Los retardantes de llama generan una gran cantidad de gases no inflamables, diluyendo la concentración de gases inflamables y oxígeno en el área de combustión.



Los retardantes de llama capturan radicales libres, interrumpiendo la reacción en cadena de oxidación.

La temperatura interna de la espuma es tan indispensable como la vitalidad para una persona. Si la temperatura de poscurado de la esponja es demasiado baja, sus propiedades físicas no serán óptimas y habrá fluctuaciones significativas en estas propiedades.



Una vez que la espuma está bien desarrollada, su temperatura interna aumenta rápidamente a más de 120 grados centígrados debido a la reacción exotérmica que se produce en condiciones deficientes de disipación de calor, convirtiéndose en uno de los riesgos de incendio.



La temperatura interna de la espuma es crucial para desarrollar sus propiedades superiores. La espuma madurada a temperaturas externas específicas exhibe propiedades físicas excepcionalmente superiores, como la resistencia a la tracción. Algunos calculan la temperatura de la espuma mediante fórmulas, mientras que otros utilizan software para ingresar fórmulas y calcular automáticamente la temperatura interna de la espuma. Entonces, ¿qué factores influyen en la temperatura interna de la espuma? ¿Es importante conocer estos factores? Es similar a cómo las cámaras de los teléfonos modernos tienen alta resolución, pero ¿eso hace que la fotografía profesional sea inútil? ¿Son inútiles ajustes como la apertura, la distancia focal y el tiempo de exposición? Para controlar mejor las cosas, uno debe comprender más variables clave de esa cosa. Comencemos con principios básicos para comprender los cambios en la temperatura interna de la espuma.



Primero, comprendamos algunas reglas básicas.



La temperatura de un espacio es directamente proporcional a la cantidad de energía térmica inyectada en ese espacio e inversamente proporcional a su tamaño.


Por ejemplo, si se distribuyen 10 kilojulios de calor en un espacio de 8 litros, la temperatura de ese espacio es de 20 grados centígrados. Si se distribuyen los mismos 10 kilojulios de calor en un espacio de 4 litros, la temperatura llega a ser de 40 grados centígrados.


La cantidad de calor aportado es directamente proporcional al valor de aporte de calor y a la velocidad del aporte de calor.


Por ejemplo, si se liberan 100 kilojulios de calor a velocidad "v", la entrada de calor es "A". Si se liberan los mismos 100 kilojulios de calor a una velocidad de 2v, la entrada de calor se convierte en 2A.


El tamaño de un espacio es directamente proporcional a la temperatura absoluta.


Por ejemplo, un espacio de 1 litro a 0 grados Celsius se convierte en 1,366 litros a 100 grados Celsius porque (273,15 + 100)/(273,15 + 0) = 1,366.


El tamaño de un espacio es inversamente proporcional a la presión atmosférica.


Es necesario considerar el retraso en la vaporización del metano.


A continuación, examinemos cómo el ajuste fino de la fórmula afecta la temperatura interna de la espuma.



Dado que se trata de un ajuste fino, aproximaremos que el entorno circundante permanece sin cambios antes y después de los ajustes. Consideremos los efectos del ajuste del agua y el metano en la temperatura interna de la espuma.


Por ejemplo, si una fórmula aumenta el metano en un 5%, podemos estar seguros de que la temperatura interna de la espuma disminuye porque la vaporización del metano absorbe calor, lo que reduce el aporte de calor a la espuma y aumenta el espacio para acomodar el calor. De manera similar, si el contenido de agua aumenta en un 5 %, el agua agregada libera calor al inyectarse en la espuma, lo que aumenta el aporte de calor, y la reacción del agua agregada genera gas, lo que aumenta el espacio para el calor. Entonces, ¿la temperatura interna de la espuma aumenta o disminuye en este caso? La experiencia indica que la temperatura interna de la espuma aumenta. Esto sugiere que el aumento de la entrada de calor debido a este cambio contribuye más al aumento de la temperatura interna de la espuma que el gas producido por el agua que diluye la temperatura.



Los cambios que involucran el índice de espuma, la liberación de calor y la disipación de calor, todos crecientes, pueden hacer que sea difícil adivinar intuitivamente si la temperatura interna de la espuma aumentará o disminuirá. Es posible que sea necesario insertar una sonda después de la formación de espuma para comparar las temperaturas internas o realizar cálculos para llegar a una conclusión.



Para los cálculos, se necesitan varias fórmulas (expresiones algebraicas) derivadas de las reglas básicas anteriores, junto con algunos datos: el calor liberado cuando el agua reacciona con el TDI para formar dióxido de carbono en kilojulios por mol, el calor absorbido durante la vaporización del metano en kilojulios por mol . Para estimar la temperatura interna total de la espuma, se debe conocer el calor liberado al formar formiato de aminometilo, formiato de metilo de urea, urea y biuret (poliurea), en kilojulios por mol, y la velocidad de reacción (tiempo de reacción).



Esto también explica por qué la densidad calculada a partir del índice de espuma difiere drásticamente de los valores teóricos y reales para espumas sin cargas a 50 densidades. Cuanto menor es la densidad, más coinciden los valores teóricos y reales de la densidad de la espuma.