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.

1  Abrasador del núcleo (la temperatura del centro excede la temperatura de oxidación del material)

A  Poliéter polioles de mala calidad: humedad excesiva, alto contenido de peróxido, impurezas de alto punto de ebullición, concentración elevada de iones metálicos, uso inadecuado de antioxidantes.

B  Problemas de formulación: alto índice TDI en fórmulas de baja densidad, proporción inadecuada de agua a agentes espumantes físicos, agente espumante físico insuficiente, agua excesiva.

C  Impacto climático: altas temperaturas en verano, lenta disipación del calor, altas temperaturas de los materiales, alta humedad que hace que la temperatura central supere la temperatura de oxidación.

D  Almacenamiento inadecuado: aumento del índice TDI que conduce a la acumulación de calor durante el poscurado, lo que provoca una temperatura interna elevada y quemaduras en el núcleo.

2  Gran deformación por compresión

A  Poliéter Poliol: Funcionalidad inferior a 2,5, relación de óxido de propileno superior al 8%, alta proporción de componentes de bajo peso molecular, insaturación superior a 0,05 mol/kg.

B  Condiciones del proceso: La temperatura del centro de reacción es demasiado baja o demasiado alta, postcurado deficiente, reacción incompleta o quemado parcial.

C  Fórmula del proceso: índice TDI demasiado bajo (controlado entre 105 y 108), exceso de octoato estannoso y aceite de silicona en aceite de silicona, bajo contenido de aire en espuma, alto contenido de células cerradas.

3  Espuma suave (dureza disminuida a la misma densidad)

A  Poliéter polioles: baja funcionalidad, bajo valor de hidroxilo, alto peso molecular.

B  Formulación del proceso: octoato T9 insuficiente, reacción de gelificación lenta, menor contenido de agua con la misma cantidad de catalizador de estaño, mayor cantidad de agentes espumantes físicos, dosis alta de aceite de silicona altamente activo, bajo índice TDI.

4  Tamaño de celda grande

A  Mezcla deficiente: mezcla desigual, tiempo de crema corto; aumente la velocidad del cabezal mezclador, reduzca la presión del cabezal mezclador, aumente la inyección de gas.

B  Formulación del proceso: aceite de silicona por debajo del límite inferior, octoato de estaño de calidad insuficiente o deficiente, velocidad de gelificación lenta.

5  Densidad superior al valor establecido

A  Poliéter polioles: baja actividad, alto peso molecular.

B  Formulación del proceso: aceite de silicona por debajo del límite inferior, índice TDI bajo, índice de espuma bajo.

C  Condiciones climáticas: baja temperatura, alta presión. Un aumento del 30% en la presión atmosférica aumenta la densidad entre un 10% y un 15%.

6  Células y huecos colapsados ​​(tasa de evolución de gas mayor que la tasa de gelificación)

A  Poliéter polioles: índice de acidez excesivo (afecta la velocidad de reacción), altas impurezas, baja actividad, alto peso molecular.

B  Formulación del proceso: exceso de amina, catalizador bajo en estaño (espuma rápida y gelificación lenta), índice TDI bajo, aceite de silicona insuficiente o ineficaz.

C  Máquina de espuma de baja presión: reduce la inyección de gas y la velocidad del cabezal mezclador.

7  Alta proporción de celdas cerradas

A  Poliéter polioles: alta proporción de epoxi etano, alta actividad, a menudo ocurre cuando se cambia a poliéter polioles con diferentes niveles de actividad.

B  Formulación del proceso: exceso de octoato de estaño, alta actividad de isocianato, alto grado de reticulación, alta velocidad de reticulación, exceso de aminas y agentes espumantes físicos que conducen a una baja presión de la espuma, alta elasticidad de la espuma que resulta en una mala apertura de las celdas, índice TDI excesivamente alto que conduce a una alta celda cerrada relación.

8  Contracción (tasa de gelificación mayor que la tasa de formación de espuma)

A  Alta proporción de celdas cerradas, contracción durante el enfriamiento.

B  Condiciones de proceso: baja temperatura del aire y del material.

C  Formulación del proceso: exceso de aceite de silicona, menos amina, más estaño, bajo índice TDI.

D  Máquina de espuma de baja presión: aumente la velocidad del cabezal mezclador, aumente la inyección de gas.

9  Agrietamiento

A  " 八 Las grietas con forma de "indican exceso de amina, las grietas de una sola línea indican exceso de agua".

B  Grietas medias e inferiores: amina excesiva, velocidad de formación de espuma rápida (agente de soplado físico excesivo, aceite de silicona deficiente y calidad del catalizador).

C  Grietas superiores: tasa de gelificación de desprendimiento de gas desequilibrada (baja temperatura, baja temperatura del material, catalizador insuficiente, menos amina, mala calidad del aceite de silicona).

D  Grietas internas: baja temperatura del aire, alta temperatura central, bajo índice TDI, exceso de estaño, alta resistencia a la formación de espuma temprana, aceite de silicona altamente activo en pequeñas cantidades.

E  Grietas laterales medias: aumentar la dosis de estaño.

F  El agrietamiento a lo largo del proceso puede deberse a discrepancias en la caída de la placa y la reacción de formación de espuma, o a una formación de espuma prematura o a placas incorrectas. Además de la formulación, también se relaciona con la suavidad del papel base; si el papel base está arrugado, puede dividir el líquido en varias partes, provocando grietas.

10  Estructura celular borrosa

A  Velocidad de agitación excesiva.

B  Alto volumen de inyección de aire.

C  Flujo inexacto de la bomba dosificadora.

D  Tuberías y filtros de material obstruidos.

11  Grietas en el borde inferior (exceso de amina, velocidad de formación de espuma rápida)

Poros grandes en la superficie: agente de soplado físico excesivo, aceite de silicona deficiente y calidad del catalizador.

12  Mal rendimiento a baja temperatura

Mala calidad inherente de los poliéter polioles: bajo valor de hidroxilo, baja funcionalidad, alta insaturación, bajo índice TDI con el mismo uso de estaño.

13  Ventilación deficiente

A  Condiciones climáticas: baja temperatura.

B  Materias primas: alto contenido de poliéter poliol, aceite de silicona altamente activo.

C  Formulación del proceso: exceso de estaño, o bajo contenido de estaño y aminas con el mismo uso de estaño, alto índice TDI.

1. Poliéter

El poliéter, como materia prima principal, reacciona con el isocianato para formar uretano, que es la reacción esquelética de los productos de espuma. Cuando el peso molecular aumenta con la misma funcionalidad, la resistencia a la tracción, el alargamiento y la resiliencia de la espuma aumentan, mientras que la actividad de reacción de poliéteres similares disminuye. Con el mismo valor equivalente (peso molecular/funcionalidad), un aumento en la funcionalidad acelera la reacción, aumenta el grado de reticulación del poliuretano, aumenta la dureza de la espuma y reduce el alargamiento. La funcionalidad media de los polioles debería ser superior a 2,5; si es demasiado bajo, la recuperación del cuerpo de espuma después de la compresión es deficiente.

Si la cantidad de poliéter utilizada es alta, equivalente a una reducción en otros materiales (TDI, agua, catalizadores, etc.), es fácil provocar que los productos de espuma se agrieten o colapsen. Si la cantidad de poliéter utilizada es baja, el producto de espuma tiende a ser duro, con elasticidad reducida y mal tacto.

2. Agente espumante

Generalmente, cuando se producen bloques de poliuretano con una densidad superior a 21, solo se utiliza agua (agente espumante químico) como agente espumante. Los compuestos de bajo punto de ebullición, como el cloruro de metileno (MC), se utilizan como agentes espumantes auxiliares en fórmulas de baja densidad o fórmulas ultrablandas.

Los agentes espumantes auxiliares reducen la densidad y dureza de la espuma. Dado que absorben parte del calor de la reacción, el curado se ralentiza, lo que requiere un aumento en la cantidad de catalizador. Al absorber calor se evita el peligro de quemar el núcleo.

La capacidad de formación de espuma se puede expresar mediante el índice de formación de espuma (el número de partes de agua o número equivalente de agua utilizado por 100 partes de poliéter):

IF = m (agua) + m (F-11) / 10 + m (MC) / 9 (100 partes de poliéter)

El agua, como agente espumante, reacciona con el isocianato para formar enlaces de urea y libera una gran cantidad de CO2 y calor. Es una reacción de crecimiento en cadena. El exceso de agua reduce la densidad de la espuma y aumenta la dureza. Sin embargo, también reduce el tamaño y la resistencia de los poros de la espuma, lo que reduce su capacidad de carga y los hace propensos a colapsar o agrietarse. Un mayor consumo de TDI provoca una mayor liberación de calor y un mayor riesgo de quema del núcleo. Si la cantidad de agua excede las 5,0 partes, se deben agregar agentes espumantes físicos para absorber parte del calor y evitar que el núcleo se queme. Menos agua significa una reducción correspondiente en la cantidad de catalizador utilizado, pero aumenta la densidad.

3. Catalizador

Amina: Generalmente se utiliza A33, que promueve la reacción entre isocianato y agua, ajustando la densidad de la espuma, la velocidad de apertura de las burbujas, etc., promoviendo principalmente reacciones de formación de espuma.

Demasiada amina: el producto de espuma se agrieta y aparecen agujeros o burbujas en la espuma; Muy poca amina: la espuma se encoge, cierra los poros y el fondo del producto de espuma se vuelve espeso.

Estaño: normalmente se utiliza octoato de estaño (II) (T-9); El óxido de estaño (IV) (T-19) es un catalizador de reacción de gel altamente activo, que promueve principalmente la reacción de gel, es decir, la reacción de la etapa posterior.

Demasiado estaño: gelificación rápida, mayor viscosidad, poca resiliencia, mala permeabilidad al aire, lo que conduce al fenómeno de celda cerrada. Aumentar adecuadamente su dosis puede obtener buenos plásticos de espuma de células abiertas con relajación; aumentar aún más la dosis hace que la espuma se vuelva gradualmente más densa, lo que provoca una contracción y células cerradas.

Demasiado poco estaño: gelificación insuficiente, lo que provoca grietas durante la formación de espuma. Pueden existir grietas en los bordes o tapas, con rebabas y mala consolidación. Reducir la amina o aumentar el estaño puede aumentar la resistencia de la película de espuma de polímero cuando se genera una gran cantidad de gas, reduciendo así los fenómenos de hueco o agrietamiento.

El hecho de que los plásticos de espuma de poliuretano tengan una estructura celular abierta o cerrada ideal depende principalmente de si la velocidad de reacción del gel y la velocidad de expansión del gas están equilibradas durante la formación de la espuma. Este equilibrio se puede lograr ajustando los tipos y cantidades de catalizadores de amina terciaria y estabilizadores de espuma en la fórmula.

4. Estabilizador de espuma (aceite de silicona)

Los estabilizadores de espuma son un tipo de tensioactivo que dispersa bien la poliurea en el sistema de espuma, actuando como "puntos de reticulación física" y aumentando significativamente la viscosidad inicial de la mezcla de espuma, evitando el agrietamiento. Por un lado, tiene un efecto emulsionante, potenciando la miscibilidad entre los componentes del material espumoso. Por otro lado, la adición de tensioactivos de silicio orgánico puede reducir la tensión superficial del líquido, reducir la energía libre requerida para la dispersión del gas, hacer que el aire dispersado en las materias primas se nucle más fácilmente durante la agitación y la mezcla, facilitar la producción de burbujas finas, ajuste el tamaño de los poros de la espuma, controle la estructura de las células de la espuma y mejore la estabilidad de la espuma. Previene el colapso o estallido de burbujas, hace que las paredes de la espuma sean elásticas, controla el tamaño de los poros y la uniformidad de la espuma. Generalmente, cuanto más agente espumante y POP se utilicen, mayor será la cantidad de aceite de silicona utilizada.

Uso elevado: aumenta la elasticidad de las paredes de espuma en la etapa posterior, haciéndolas menos propensas a estallar, lo que resulta en poros más pequeños y células cerradas.

Bajo uso: La espuma estalla, colapsa después de formar espuma, tamaño de poro más grande y fácil formación de espuma.

5. Influencia de la temperatura

La reacción de formación de espuma del poliuretano se acelera con un aumento en la temperatura del material, lo que puede representar un riesgo de quema e ignición del núcleo en formulaciones sensibles. Generalmente, las temperaturas de los componentes poliol e isocianato se mantienen constantes. Al formar espuma, la densidad de la espuma disminuye a medida que aumenta la temperatura del material. Con la misma fórmula, si la temperatura sigue siendo la misma pero la temperatura ambiente es alta en verano, la velocidad de reacción aumenta, lo que provoca una disminución de la densidad y dureza de la espuma, un aumento del alargamiento y un aumento de la resistencia mecánica. En verano, se puede aumentar adecuadamente el índice TDI para corregir la disminución de la dureza.

6. Influencia de la humedad del aire

Al aumentar la humedad, el isocianato de la espuma reacciona con la humedad del aire, provocando una disminución de la dureza. Por lo tanto, al formar espuma, la cantidad de TDI se puede aumentar apropiadamente. La humedad excesiva puede hacer que la temperatura de curado aumente demasiado, provocando que el núcleo se queme.

7. Influencia de la presión atmosférica

Con la misma fórmula, la formación de espuma en áreas de gran altitud da como resultado una menor densidad del producto de espuma.

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.

En las espumas flexibles de poliuretano, a menudo se utiliza diclorometano (MC) para ajustar la densidad y dureza de la espuma. Con un punto de ebullición de sólo 40.4 ° C, durante la formación de espuma, la reacción del agua y el TDI genera una gran cantidad de calor, lo que hace que el MC se evapore en gas, expandiendo así el cuerpo de la espuma y reduciendo la densidad de la espuma.

La vaporización de MC consume mucho calor, lo que puede afectar el proceso de formación de espuma en algunos casos. Las dos figuras siguientes muestran los cambios en la temperatura máxima de la espuma y el tiempo para alcanzarla después de agregar diferentes cantidades de MC a una fórmula específica.

De los gráficos se puede observar que después de agregar MC, la temperatura máxima de la espuma disminuye significativamente y el tiempo para alcanzar la temperatura máxima también aumenta.

Estos son sólo cambios en los datos, pero ¿cómo se manifiestan durante el proceso de formación de espuma real? Para entender esto, veamos brevemente el proceso de reacción del poliuretano.

La reacción principal en la espumación de poliuretano es la reacción del agua y el isocianato para producir dióxido de carbono y amina, y la reacción del poliéter poliol y el isocianato para producir poliuretano. Sin embargo, hay muchas reacciones secundarias, resumidas en reacciones que generan uretano y reacciones que generan urea.

Las reacciones secundarias cambian la estructura molecular del polímero de lineal a reticulada. Debido a las diferentes condiciones de reacción y materias primas, la estructura del poliuretano puede variar mucho. En general, cuantas más reacciones secundarias, más compleja es la estructura reticulada, lo que da como resultado una mayor dureza y una mejor resistencia al desgarro. Por supuesto, también mejora la resistencia al amarillamiento, pero ese es otro tema. Aumentar el índice de formación de espuma fortalecerá las reacciones secundarias.

Dicho todo esto, ¿qué tiene esto que ver con MC? Todas las reacciones secundarias son reacciones endotérmicas que requieren absorción de calor. Sin embargo, la vaporización de MC también requiere una gran cantidad de calor, creando así una relación competitiva. Agregar una gran cantidad de MC debilitará significativamente las reacciones secundarias, aumentando la proporción de estructuras lineales en la espuma, haciéndola más suave y disminuyendo la plasticidad térmica.

Incluso en temperaturas más frías durante el invierno, se debe prestar atención a este problema. Aumentar adecuadamente el contenido de agua en la fórmula para generar más calor ayuda a mantener las propiedades físicas de la espuma sin cambios significativos.