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.

En la producción industrial moderna, la espuma flexible de poliuretano desempeña un papel importante en diversos campos, como muebles, asientos de automóviles y plantillas de zapatos. Sin embargo, no se pueden pasar por alto los puntos de control técnico clave para la producción de productos de espuma plástica flexible de poliuretano de alta calidad. Aquí hay varios puntos técnicos clave en el proceso de producción.:



Control de diisocianato de tolueno (TDI):


La proporción isomérica óptima de TDI es 80/20. Si se excede esta proporción, se puede provocar la formación de células grandes y cerradas en la espuma, prolongando el tiempo de curado. Particularmente en la producción de productos de espuma de baja densidad en bloques grandes, una proporción isomérica excesiva puede retrasar la liberación de calor, lo que puede causar que la temperatura del centro de la espuma permanezca alta durante mucho tiempo, lo que lleva a la carbonización e incluso a la ignición. Si la proporción isomérica es demasiado baja, la densidad y la resiliencia del producto de espuma disminuirán y pueden aparecer grietas finas en la superficie de la espuma, lo que resultará en una mala repetibilidad del proceso.



Adición de agentes espumantes externos:


Los agentes espumantes externos (agua) no sólo reducen la densidad de la espuma sino que también mejoran la suavidad del producto y ayudan a eliminar el calor de reacción. Para evitar la carbonización central en el proceso de formación de espuma de productos de espuma de bloques grandes, generalmente se agrega una cierta cantidad de agua. Sin embargo, a medida que aumenta la cantidad de agua, la cantidad de catalizador también debería aumentar correspondientemente; de lo contrario, puede prolongarse el tiempo de poscurado de la espuma. Generalmente, por cada 5 partes de aumento de agua, se deben añadir de 0,2 a 0,5 partes de aceite de silicona.



Relación de catalizador:


Los catalizadores orgánicos de estaño y amina terciaria se utilizan comúnmente para controlar las reacciones NCO-OH y NCO-H2O. Ajustando la proporción de diferentes catalizadores, se puede controlar el crecimiento de las cadenas de polímeros y la reacción de formación de espuma. Bajo ciertas densidades de producto, elegir la proporción de catalizador adecuada puede controlar la velocidad de celda abierta, el tamaño de celda y el valor de carga de huecos de la espuma. El aumento de la cantidad de catalizador orgánico de estaño generalmente puede producir espumas con tamaños de celda más pequeños, pero el uso excesivo puede aumentar la tasa de celda cerrada. Es necesario determinar la dosis óptima de catalizador mediante experimentos para lograr el mejor rendimiento de los productos de espuma.



Estabilizadores de espuma:


La función de los estabilizadores de espuma es reducir la tensión superficial del material, haciendo que la pared de la película de espuma sea elástica y evitando que se rompa hasta que el crecimiento de la cadena molecular y las reacciones de reticulación conduzcan a la solidificación del material. Por lo tanto, los estabilizadores de espuma desempeñan un papel fundamental en la producción de esponjas de poliéter de un solo paso y su uso debe controlarse estrictamente.



Control de temperatura:


La reacción de generación de espuma es muy sensible a la temperatura y los cambios en el material y la temperatura de formación de espuma afectarán las operaciones de formación de espuma y las propiedades físicas. Por lo tanto, el control de la temperatura es una de las condiciones importantes para garantizar procesos de formación de espuma estables. La temperatura del material generalmente se controla a 20-25
°
C.



Velocidad y tiempo de agitación:


La velocidad y el tiempo de agitación afectan la cantidad de energía aportada durante el proceso de formación de espuma. Si la agitación es desigual, pueden aparecer una gran cantidad de burbujas en la superficie de la espuma, lo que provoca defectos como grietas. Durante la mezcla del Componente A, la velocidad es de 1000 r/min; Después de agregar el Componente B al Componente A, la velocidad de agitación alta es de 2800-3500 r/min durante 5-8 segundos.



En resumen, las tecnologías clave para producir espuma flexible de poliuretano incluyen controlar el TDI, agregar agentes espumantes externos, ajustar las proporciones de catalizador, usar estabilizadores de espuma, controlar la temperatura y controlar la velocidad y el tiempo de agitación. El control adecuado de estos parámetros técnicos puede garantizar la producción de productos de plástico de espuma de poliuretano flexible de calidad estable y alto rendimiento.

La espuma plástica blanda de poliuretano es uno de los productos importantes en la industria del poliuretano. Su producción implica necesariamente el uso de catalizadores de aminas orgánicas, especialmente catalizadores de aminas terciarias orgánicas. Esto se debe a que los catalizadores de amina terciaria orgánica desempeñan un papel importante en las principales reacciones de formación de espuma de poliuretano: las reacciones de dióxido de carbono y polimerización molecular, lo que promueve la rápida expansión de las mezclas de reacción, el aumento de la viscosidad y un fuerte aumento del peso molecular del polímero. Estas condiciones son esenciales para la formación de cuerpos de espuma, asegurando que los plásticos de espuma blanda tengan ventajas como baja densidad, alta relación resistencia-peso, alta resiliencia y comodidad para sentarse y acostarse. Existen muchos tipos de catalizadores de aminas orgánicas que se pueden utilizar para plásticos de espuma blanda de poliuretano. Entre ellos, los catalizadores altamente eficientes reconocidos por varios fabricantes son: trietilendiamina (TDEA) y éter bis(dimetilaminoetil) (denominado A1). Estos son también los catalizadores de aminas orgánicas más utilizados en el mundo en la actualidad, con el mayor consumo entre varios catalizadores.



Debido a las diferencias estructurales moleculares entre los catalizadores TDEA y A1, existen diferencias significativas en su rendimiento catalítico, particularmente en sus reacciones al gas dióxido de carbono y la polimerización molecular. Si el usuario no presta atención a estas diferencias en la producción, no sólo no podrá producir productos de espuma calificados, sino que también será difícil que se formen cuerpos de espuma. Por lo tanto, comprender y dominar las diferencias de rendimiento entre estos dos catalizadores en la producción de espuma de poliuretano es de gran importancia. TDEA existe en estado sólido en condiciones normales, lo que hace que su aplicación sea menos conveniente. En la producción real, los compuestos de alcohol de bajo peso molecular se usan comúnmente como solventes, formulados en soluciones al 33% para facilitar su uso, comúnmente denominados A33. Por otro lado, el A1 es un líquido de baja viscosidad que se puede aplicar directamente. A continuación se muestra una comparación de las diferencias de rendimiento catalítico entre A1 y A33 en la producción de plásticos de espuma blanda de poliuretano.



A33 tiene una función catalítica del 60% para la reacción con gas dióxido de carbono y una función catalítica del 40% para la polimerización molecular. Tiene una baja tasa de utilización efectiva del gas dióxido de carbono, lo que resulta en una menor altura de espuma y una mayor densidad de la espuma. Dado que la mayor parte de la función catalítica se utiliza para reacciones de polimerización molecular, es fácil producir cuerpos de espuma de células cerradas, que son rígidos con bajo rebote, y el rango ajustable de catalizadores de estaño se vuelve más estrecho. Para conseguir la misma función catalítica, la cantidad utilizada es un 33% más que A1. Tanto la piel inferior como la piel exterior del cuerpo de espuma son más gruesas. Aumentar la cantidad puede aumentar la velocidad de reacción, pero la cantidad de catalizador de estaño debe reducirse correspondientemente, de lo contrario se producirán cuerpos de espuma de células cerradas.



A1 tiene una función catalítica del 80% para la reacción con gas dióxido de carbono y una función catalítica del 20% para la polimerización molecular. Tiene una alta tasa de utilización efectiva del gas dióxido de carbono, lo que resulta en una mayor altura de espuma y una menor densidad de la espuma. Dado que la mayor parte de la función catalítica se utiliza para reacciones de generación de gas, es fácil producir cuerpos de espuma de celdas abiertas, que son blandos con un alto rebote, y la gama ajustable de catalizadores de estaño se vuelve más amplia. Para lograr la misma función catalítica, la cantidad utilizada es inferior a A33. Tanto la piel inferior como la piel exterior del cuerpo de espuma son más delgadas. Aumentar la cantidad puede aumentar la velocidad de reacción, pero la cantidad de catalizador de estaño debe aumentarse en consecuencia, de lo contrario puede producirse exceso de espuma y craqueo.



En términos de rendimiento general entre TDEA y A1, A1 tiene un rendimiento catalítico integral más alto que la trietilendiamina. Sus efectos reales de aplicación también son mejores, aunque no tan convenientes como la trietilendiamina en términos de transporte y almacenamiento. Actualmente, la gran mayoría de las instalaciones de producción de espuma continua mecánica utilizan casi exclusivamente A1, mientras que todas las instalaciones de producción de espuma tipo caja utilizan TDEA. Sin embargo, esto no es absoluto. Con una comprensión clara de las diferencias entre los dos y los ajustes de formulación adecuados, pueden ser intercambiables y ambos pueden producir excelentes productos de espuma.

Los tensioactivos utilizados para la estabilización de la espuma, también conocidos como estabilizadores de espuma, son un aditivo crucial en la producción de plásticos de espuma de poliuretano. Al seleccionar tensioactivos, ¿qué factores se deben considerar?



Los tensioactivos se pueden dividir en dos tipos: tensioactivos de espuma blanda y tensioactivos de espuma dura. Examinemos cada uno:



Surfactantes de espuma blanda:


Durante la etapa inicial de formación de espuma, los tensioactivos de espuma blanda pueden disolverse para formar poliurea y, en las etapas posteriores, pueden ayudar a la apertura y explosión de las células. Por lo tanto, al seleccionar tensioactivos de espuma blanda, se deben considerar los siguientes factores:



1
La actividad del tensioactivo;


2
La relación entre el rango operativo del tensioactivo y el rango de dosificación requerido;


3
El impacto de los distintos componentes del tensioactivo en el rango operativo.



Surfactantes de espuma dura:


Los tensioactivos de espuma dura tienen un mayor grado de reticulación, lo que hace que las burbujas sean más estables. Se utilizan comúnmente para productos moldeados o para hacer espuma en cavidades restringidas. Al seleccionar tensioactivos de espuma dura, se deben considerar los siguientes factores:



1
Fuerte capacidad de emulsificación de los componentes de la materia prima;


2
Capacidad para controlar eficazmente el tamaño de las células de espuma;


3
Capacidad para mejorar la fluidez del material y garantizar una distribución uniforme de la densidad.



Los tensioactivos no sólo desempeñan un papel en la estabilización de la espuma, sino que también afectan la densidad, la elasticidad, la resistencia a la tracción y otras propiedades de la espuma. Por lo tanto, al elegir tensioactivos, se deben considerar factores como la actividad de las materias primas, las condiciones de operación y el proceso de formación de espuma.

¿Qué es la espuma rígida de poliuretano?



La espuma rígida de poliuretano, a menudo abreviada como espuma rígida de PU, es uno de los productos de poliuretano más utilizados, solo superada por la espuma blanda de poliuretano, en aplicaciones de poliuretano. La espuma rígida de poliuretano es principalmente una estructura de celda cerrada, conocida por su excelente aislamiento, peso ligero, alta relación resistencia-peso, facilidad de construcción, así como insonorización, absorción de impactos, aislamiento eléctrico, resistencia al calor, resistencia al frío y resistencia a los disolventes. , y más. Se utiliza ampliamente en las capas aislantes de cajas de refrigeradores y congeladores, cámaras frigoríficas, camiones frigoríficos, así como materiales aislantes para edificios, tanques y tuberías. Una pequeña cantidad se utiliza en aplicaciones que no son de aislamiento, como imitaciones de madera y materiales de embalaje. Generalmente, la espuma rígida de poliuretano de menor densidad se utiliza principalmente como material aislante térmico, mientras que la espuma rígida de poliuretano de mayor densidad se puede utilizar como material estructural (imitación a madera).



La espuma rígida de poliuretano normalmente se espuma a temperatura ambiente, con un proceso de moldeo relativamente simple. Se puede clasificar en espumado manual y espumado mecánico según el grado de mecanización de la construcción; formación de espuma a alta presión y formación de espuma a baja presión en función de la presión de formación de espuma; y espumado por colada y espumado por pulverización basado en el método de moldeo.



¿Qué es la espuma blanda de poliuretano?



La espuma blanda de poliuretano, también conocida como espuma blanda de PU, es un tipo de espuma de poliuretano flexible con cierto grado de elasticidad. Es el producto de poliuretano más utilizado entre todos los productos de poliuretano.



La espuma blanda de poliuretano es principalmente una estructura de células abiertas, caracterizada por su baja densidad, buena recuperación elástica, absorción acústica, transpirabilidad y propiedades aislantes. Se utiliza principalmente como material de amortiguación para muebles, colchones, cojines de asientos de vehículos y también encuentra aplicaciones industriales y domésticas como materiales de filtrado, materiales de insonorización, materiales de absorción de impactos, materiales decorativos, materiales de embalaje y materiales aislantes. Según el grado de suavidad y capacidad de carga, la espuma blanda de poliuretano se puede dividir en espuma blanda ordinaria, espuma súper blanda, espuma blanda de alta capacidad de carga, espuma blanda de alta resiliencia, etc. Las espumas blandas de alta resiliencia y alta capacidad de carga se utilizan generalmente para fabricar cojines de asiento y colchones. Según el proceso de producción, la espuma blanda de poliuretano se puede dividir en espuma en bloque y espuma moldeada. La espuma en bloque se produce mediante un proceso continuo para formar espuma de gran volumen que luego se corta en las formas requeridas, mientras que la espuma moldeada se produce mediante inyección directa de la mezcla en moldes para formar productos de espuma con las formas deseadas.



Después de entender la espuma rígida de poliuretano y la espuma blanda de poliuretano, surge la pregunta: ¿cómo diferenciamos entre ambas?



De hecho, la clasificación puede basarse en el grado de dureza, dividiéndolos en plásticos de espuma blanda y plásticos duros. Los plásticos de espuma blanda tienen un componente polimérico de matriz por encima del punto de fusión cristalino o, si es un polímero amorfo, está por encima de la temperatura de transición vítrea; La espuma dura, por otro lado, tiene su polímero matriz en estado cristalino o amorfo pero por debajo de la temperatura de transición vítrea. La espuma semirrígida es una espuma plástica entre espuma blanda y dura. Es similar a la espuma blanda, con una tasa de células abiertas superior 90

℃

, pero la espuma semirrígida tiene mayor densidad y mayor resistencia a la compresión. Después de la deformación por compresión, la espuma semirrígida tarda mucho más en recuperarse y su densidad de reticulación es mucho mayor que la de la espuma blanda pero menor que la de la espuma dura.



Según esta clasificación de suavidad y dureza, la mayoría de las espumas de poliolefina, las espumas de cloruro de polivinilo (PVC) no plastificado, las espumas fenólicas, las espumas de policarbonato y las espumas de éter de polifenileno se clasifican todas como espumas duras, mientras que las espumas de poliuretano elásticas y algunas espumas de poliolefina y espumas de PVC plastificado Se clasifican como espumas blandas.



Según la norma nacional, los plásticos de espuma blanda son aquellos que son flexibles, tienen baja dureza a la compresión, vuelven a su estado original después de que se alivia la tensión y tienen una deformación residual mínima. Por otro lado, los plásticos de espuma dura son inflexibles, tienen una alta dureza de compresión, se deforman cuando la tensión alcanza un cierto nivel y no vuelven a su estado original una vez que se alivia la tensión.



La Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) especifica que para diferenciar entre plásticos de espuma blandos y duros, a una temperatura de 18-29

℃

, se hace girar una varilla con un diámetro de 2,5 cm a su alrededor durante una rotación completa en 5 segundos. Si no se fractura, se clasifica como espuma plástica blanda; de lo contrario, se clasifica como espuma plástica dura.



Según las normas ISO, cuando la deformación por compresión alcanza el 50% y luego se libera, si el espesor disminuye no más del 2% respecto al espesor original, se clasifica como espuma plástica blanda. Si disminuye más del 10%, se clasifica como espuma plástica dura. Si la disminución está entre el 2-10%, se clasifica como espuma plástica semirrígida.



Si utilizamos el módulo elástico como criterio, en un entorno estándar de 23

℃

y 50% de humedad relativa, una espuma plástica con un módulo elástico superior a 686 MPa se clasifica como espuma dura, menos de 68,6 MPa se clasifica como espuma blanda y entre 68,6-686 MPa se clasifica como espuma semirrígida. Aunque el módulo elástico de la espuma semirrígida es mayor que el de la espuma blanda, su comportamiento tensión-deformación es más cercano al de la espuma blanda y significativamente diferente al de la espuma dura. Generalmente, los plásticos de espuma blanda tienen en su mayoría una estructura de células abiertas, mientras que los plásticos de espuma dura tienen en su mayoría una estructura de células cerradas, pero hay excepciones.