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.

Cura en frío


Un proceso para la producción de espuma para asientos, que produce espuma de alta resiliencia (denominada espuma HR).


Durante este proceso, la temperatura del molde generalmente está entre 50 y 70 grados Celsius; el peso molecular del poliéter suele estar entre 2500 y 6500 y el ISO puede ser TDI/TM/MDI.


Este proceso tiene una alta eficiencia de producción, un bajo consumo de energía y actualmente se utiliza ampliamente.



Capacidad de la bomba


Se utiliza para comprobar la estabilidad de la salida de flujo de la bomba dosificadora.


El método actual para verificar la capacidad de la bomba es el siguiente: al caudal establecido, disparar continuamente 35 veces, pesar cada disparo y luego calcular la capacidad. Según la capacidad de la bomba, determine si la bomba dosificadora necesita reparación o reemplazo. Generalmente, la capacidad de la bomba se verifica cada tres meses.



Linealidad de la bomba


Una caracterización de la correlación entre la velocidad y el rendimiento de la bomba dosificadora.


Generalmente, se seleccionan cinco velocidades diferentes para las pruebas de flujo. Se obtiene entonces el rendimiento de la bomba dosificadora en cada velocidad. Si estos cinco puntos se alinean en línea recta, indica una buena linealidad entre la velocidad y el rendimiento de la bomba dosificadora.



NBT (Nueva tecnología de mezcla)


NBT significa Nueva Tecnología de Mezcla.


La tecnología de mezcla anterior implicaba rociar y mezclar un ISO con un POL para reaccionar y producir espuma de poliuretano. Al ajustar los parámetros del proceso con este método, solo se podía ajustar la relación de mezcla POL/ISO y el peso de la pieza fundida, sin que fuera posible realizar otros ajustes.


NBT implica rociar y mezclar un ISO con 2 o 3 grupos de materiales POLY para reaccionar y producir espuma de poliuretano. (El equipo requiere un convertidor de frecuencia)


NBT puede ajustar las siguientes variables: humedad de la fórmula, contenido de sólidos de la fórmula, índice de la fórmula, peso de fundición y otras variables. Esto permite una mayor tolerancia del proceso al fabricar espumas de diferentes densidades y durezas.



TPR (liberación de presión temporizada)


TPR significa Liberación de presión programada, también conocida como ventilación o prevención.


Los parámetros típicos de TPR son: la ventilación comienza alrededor de 90 a 120 segundos después del cierre del molde, con la bolsa cayendo, ventilándose durante aproximadamente 2 segundos y luego la bolsa vuelve a subir.


Fenómenos comunes: La ventilación demasiado temprana puede provocar productos tiernos y propensos a romperse. Ventilar demasiado tarde puede provocar productos rígidos y propensos a encogerse después del desmolde.



Pulverización inicial


Al comienzo del vertido normal, las boquillas ISO y POLY se abren simultáneamente, lo que permite que los materiales se mezclen en la cámara de mezcla y reaccionen para producir espuma de poliuretano.


Si durante el vertido las boquillas ISO y POLY no se abren simultáneamente, la que se abra primero hará que el material fluya fuera de la cámara de mezcla sin reaccionar, lo que dará como resultado material sin reaccionar al comienzo de la espuma. Si el poliéter sale primero, la espuma estará pegajosa y húmeda en la parte superior (pulverización inicial suave), mientras que si sale primero el ISO, la espuma será crujiente, localmente delgada (pulverización inicial suave) o tendrá manchas ISO (pulverización inicial severa). pulverización).


Fenómenos comunes: Otro caso especial es cuando hay suavidad en la zona inicialmente vertida, lo que también podría ser una forma de pulverización inicial. Esto podría deberse a que el componente sale primero, lo que hace que la espuma en el punto de fluidez inicial sea blanda.



Índice de espuma


Cuando ISO y POL reaccionan, si reaccionan en las cantidades teóricas exactas, se llama reacción estequiométrica y el índice de formación de espuma se define como 100.


Índice de formación de espuma = Uso real de ISO/Uso teórico de ISO * 100. Actualmente, el índice de formación de espuma para los asientos está generalmente entre 90 y 105.


A medida que aumenta el índice de formación de espuma, la espuma se vuelve gradualmente más dura.


Índice > 105, el producto es propenso a ser quebradizo; Índice < 85, el producto es propenso a contraerse en células cerradas.

El chamuscado de la espuma es un fenómeno común que se encuentra en la producción real de espuma. A continuación se detallan las razones detrás de este problema junto con posibles soluciones.:



(1) Problemas con la calidad de los poliéter polioles:
Durante la producción y el transporte, el contenido de agua del producto excede el estándar, hay un exceso de peróxidos e impurezas de bajo punto de ebullición, la concentración de iones metálicos es demasiado alta y hay una selección y concentración inadecuadas de antioxidantes.



(2) Formulación:
En formulaciones de baja densidad, el índice TDI es demasiado alto, la proporción de agua a agentes de soplado físicos en el agente espumante es inadecuada, la cantidad de agente de soplado físico es insuficiente y hay un contenido de agua excesivo.



(3) Impacto climático:
En verano, las altas temperaturas provocan una lenta disipación del calor, altas temperaturas del material, alta humedad del aire y la temperatura en el centro de reacción supera la temperatura del antioxidante.



(4)

Almacenamiento inadecuado:
Cuando el índice TDI aumenta, la energía térmica acumulada durante la posmaduración provoca un aumento de la temperatura interna, provocando quemaduras.

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.

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.