En diciembre de 2021, recibimos una consulta del Sr. Hairun en Malasia. Sr. Hairun es un fabricante de colchones que necesita producir espuma regenerada. Tenía conocimientos limitados sobre el uso y la selección de máquinas y no tenía experiencia previa con el proceso de producción. Por lo tanto, necesitaba la orientación de expertos que pudieran ayudarle desde cero.



Le explicamos sistemáticamente los principios de la producción de espuma al Sr. Hairun, junto con los materiales y equipos necesarios. También lo llevamos a recorrer nuestra fábrica para brindarle una comprensión clara de todo el proceso de producción.



Después de entender al Sr. Teniendo en cuenta las preferencias de Hairun por la espuma regenerada, incluida la densidad, la suavidad y los precios de mercado, le ofrecimos la solución de producción de espuma más adecuada. También le proporcionamos información sobre los costos de producción de espuma y comparamos los precios de las materias primas para su referencia.



Con base en las necesidades, el presupuesto y el diseño de la fábrica existente del cliente, diseñamos un plan de diseño y configuración de la máquina rentable para sus instalaciones, incluida una evaluación de los costos iniciales.



Una vez que las máquinas se instalaron con éxito, nuestro equipo de ingenieros le proporcionó al Sr. Hairun con formación individualizada en producción de espuma. Cuando logró producir por primera vez la espuma que deseaba, nos llamó y nos dijo: "Estoy feliz de llorar, ¡muchas gracias!". Posteriormente, nos compró una máquina de espuma por lotes y continuó repitiendo materiales químicos de espuma a nuestra empresa.

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.

Existen muchas razones para el agrietamiento de la espuma de poliuretano, incluidos factores tanto químicos como mecánicos. Durante la producción, es importante detenerse e inspeccionar, asegurándose de eliminar el fenómeno de agrietamiento. A continuación se presentan algunas ideas que hemos resumido en función de años de experiencia en producción, con la esperanza de inspirar a todos.


1.
Cambios repentinos


Los cambios repentinos en la velocidad del transportador, las variaciones en el uso del catalizador o el funcionamiento irregular del transportador pueden provocar que la espuma se agriete. Ajuste las situaciones anteriores de forma cuidadosa y gradual. Un cambio significativo en la velocidad del transportador puede provocar grandes grietas en los bloques de espuma.


2
Película de polietileno


Si la película deja de moverse por alguna razón, la espuma entrará en contacto con la superficie estática, lo que provocará grietas. Si ocurre esta situación, verifique el rodillo de bobinado de la rebobinadora y examine la separación de la película en el área de curado.


3
Formación de espuma alrededor de ciertas sustancias


Se tiende a formar espuma alrededor de ciertas sustancias, especialmente en el conducto de alimentación, lo que puede provocar fácilmente grietas.


Antes de la producción, asegúrese de que no queden residuos ni desechos en el conjunto del cabezal de mezcla, la manguera de alimentación y el conducto de descarga.


4
Amina excesiva


Cuando no hay suficiente octoato estannoso, un exceso de amina puede provocar el mismo efecto y acelerar el tiempo de subida. Por lo tanto, la dosis de amina debe reducirse.


5
Octoato estannoso insuficiente


Debido a que la reacción de formación de espuma es más rápida que la reacción de polimerización, es posible que fluya algo de espuma, lo que provoca grietas. Por lo tanto, se debe aumentar la cantidad de octoato estannoso.


6
Aceite de silicona


La espuma se vuelve inestable y propensa a romperse, pudiendo formarse "depresiones" en la espuma, por lo que es necesario aumentar la dosis de aceite de silicona.


7
Estructura de pequeñas burbujas de aire


Las paredes de espuma delgadas pueden provocar grietas debido a la formación de espuma. Para abordar esto de manera integral: reduzca el contenido de aire, disminuya la velocidad del cabezal de mezcla o aumente la presión del cabezal de mezcla. También es necesario cambiar la dosis del catalizador de octoato estannoso.

1. Reacciones básicas



La formación de espuma de poliuretano implica dos reacciones básicas: reacción de formación de espuma y reacción de polimerización (también llamada reacción de gel).



Reacción de formación de espuma: el isocianato reacciona con agua para producir una reacción de urea disustituida y dióxido de carbono. La ecuación de reacción es la siguiente.:



2R-N=C=O + HOH
→

R-NH-CO-NH-R + CO2

↑



El dióxido de carbono liberado actúa como núcleo de la burbuja, lo que hace que la mezcla de reacción se expanda, dando como resultado una espuma con una estructura de celda abierta.



Reacción de polimerización: el grupo hidroxilo del poliéter sufre una reacción de polimerización gradual con isocianato para formar un aminoformiato. La ecuación de reacción es la siguiente.:



R=N=C=O + R

&primo;

-OH
→

R-NH-COO
—
R
&primo;



2. Polioles



La producción nacional de espuma en bloque utiliza poliéteres de espuma blanda de 3 funcionalidades y peso molecular 3000 (valor de hidroxilo 56) o 3500 (valor de hidroxilo 48, menos comúnmente utilizado).



3. Poliisocianatos



El principal poliisocianato utilizado es el diisocianato de tolueno (TDI). Hay tres tipos principales de productos industriales TDI: 2,4-TDI puro (o TDI100), TDI80/20 y TDI65/35. TDI80/20 tiene el coste de producción más bajo y es la variedad más utilizada en aplicaciones industriales.



El peso molecular del TDI es 174, con dos grupos isocianato (-N=C=O) que tienen un peso molecular de 84. Por tanto, el contenido de isocianato en TDI es del 48,28%.



La cantidad de TDI utilizada tiene un impacto significativo en las propiedades de la espuma. En las formulaciones de espuma, el exceso de TDI se expresa como índice de isocianato, que es la relación entre el uso real y la cantidad teórica calculada. Cuando se produce espuma blanda, el índice es generalmente de 105 a 115 (100 es igual a la cantidad teórica calculada). Dentro de este rango, a medida que aumenta el índice TDI, aumenta la dureza de la espuma, disminuye la resistencia al desgarro, disminuye la resistencia a la tracción y disminuye el alargamiento a la rotura. Si el índice TDI es demasiado alto, puede provocar células grandes y cerradas, tiempos de maduración prolongados y quema de espuma; si el índice TDI es demasiado bajo, puede provocar grietas, rebote deficiente, baja resistencia y deformación permanente por compresión significativa.



4. Agentes espumantes



El agua que reacciona con el TDI para producir dióxido de carbono es el principal agente espumante utilizado en la formación de espuma blanda. Aumentar la cantidad de agua en la formulación aumentará el contenido de urea, aumentará la dureza de la espuma, disminuirá la densidad de la espuma y reducirá la capacidad de carga de la espuma. Sin embargo, el TDI reacciona con el agua para producir una gran cantidad de calor. Si el contenido de agua es demasiado alto, la espuma puede quemarse o encenderse.



El cloruro de metileno es un agente espumante físico con un punto de ebullición de 39.8
°
C. Es un gas no inflamable que puede vaporizarse durante la formación de espuma, reduciendo la densidad y dureza de la espuma. La cantidad de cloruro de metileno agregada debe evitar que la espuma se queme y, al mismo tiempo, garantizar que una cantidad excesiva no elimine demasiado calor, lo que afectaría el curado de la espuma. La cantidad de cloruro de metileno utilizada es limitada.



5. catalizadores



La función principal de los catalizadores es ajustar la velocidad de las reacciones de formación de espuma y gel para lograr un buen equilibrio.



La trietilendiamina (A33, una solución al 33% de éter diisopropílico o dipropilenglicol) es el catalizador de amina terciaria más importante en la producción de espuma blanda. Tiene una eficacia del 60 % para promover la reacción entre isocianato y agua, es decir, reacción de formación de espuma, y ​​una eficacia del 40 % para promover la reacción entre hidroxilo e isocianato, es decir, reacción de gel.



El dilaurato de dibutilestaño (A-1) es un catalizador de amina terciaria de uso general para espuma blanda. Tiene una eficacia del 80 % para promover la reacción de espuma y del 20 % para promover la reacción de gel. A menudo se utiliza en combinación con trietilendiamina.



El uso inadecuado de catalizadores de amina puede tener un impacto significativo en el producto. Demasiada amina puede causar:



(1) Tiempo de reacción corto, aumento rápido de la viscosidad inicial y humo excesivo durante la formación de espuma.


(2) Grietas de la espuma. Muy poca amina dará como resultado una velocidad de inicio lenta, lo que afectará la altura de la espuma.



El dilaurato de dibutilestaño es el catalizador orgánico de estaño más utilizado, que es muy fácil de hidrolizar y oxidar en presencia de agua y catalizadores de amina terciaria en mezclas de poliéter.



Cuanto menor sea la densidad de la espuma, más estrecho será el rango ajustable de dilaurato de dibutilestaño. El efecto de la dosis de estaño sobre la espuma es el siguiente.:



Dosificación demasiado pequeña: Fisura de la espuma.



Demasiada dosis: Aumento rápido de la viscosidad, formación de espuma en células cerradas y encogimiento, formando pieles en la parte superior y laterales.



6. Estabilizadores de espuma (también llamados aceites de silicona)



Los estabilizadores de espuma reducen la tensión superficial de la mezcla del sistema de espuma, estabilizando así las burbujas, evitando el colapso de la espuma y controlando el tamaño y la uniformidad de los huecos.



Aumentar la cantidad de aceite de silicona desde la cantidad mínima hasta un nivel apropiado puede producir plásticos de espuma bien abiertos. Cuando la cantidad es demasiado alta, aumenta la tasa de células cerradas de la espuma.



7. Otros factores que influyen



Además de la formulación, los parámetros del proceso y el entorno también tienen un cierto impacto en las propiedades de la espuma.



Temperatura de la materia prima: Bajo temperaturas ambiente relativamente normales (20-28
°
C), la temperatura de la materia prima se controla a 25
±
3°
C, preferiblemente dentro de un rango de
±
1°
C. También se puede controlar dentro del rango de 28-30
°
C.



El efecto del aumento o disminución de la temperatura sobre la velocidad de las reacciones de formación de espuma y gel varía. Un aumento de temperatura da como resultado un aumento mucho mayor en la reacción de polimerización en comparación con la reacción de formación de espuma. Los catalizadores deben ajustarse a los cambios de temperatura.



Para la misma formulación, utilizando la misma cantidad de agente espumante, la densidad de la espuma también está relacionada con la altitud. En zonas elevadas, la densidad de la espuma disminuye notablemente.

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.