Modifications de la viscoélasticité et de l'élasticité au cours du processus de moussage de la mousse de polyuréthane

Pour comprendre le mécanisme de formation de la mousse, il est essentiel de comprendre les changements viscoélastiques et élastiques des matériaux polyuréthanes au cours de la formation de la mousse. Lors de la préparation de mousse de polyuréthane flexible, les matières premières liquides subissent initialement une augmentation rapide de la viscosité à mesure qu'elles génèrent des bulles par réaction, se transformant progressivement en colloïde, puis évoluant ensuite en un polymère hautement élastique. De même, la mousse de polyuréthane rigide se forme lorsque des matières premières liquides se gélifient pour former un polymère thermodurci. Les changements de viscoélasticité et d’élasticité de ces matériaux sont cruciaux pour la structure et la stabilité de la mousse.

Lors de la formation de mousse de polyuréthane flexible, deux changements simultanés se produisent dans le système:

La génération de gaz provoque l'expansion et la croissance du matériau en formant des bulles qui montent dans le système.

Les matières premières subissent des réactions au cours desquelles les chaînes moléculaires se développent, se ramifient et se réticulent, transformant le matériau initialement liquide en un polymère thermoplastique soluble à haute viscosité et de poids moléculaire modéré. D'autres réactions conduisent à une ramification et une réticulation, à une augmentation du poids moléculaire et à la transition de structures moléculaires linéaires à des structures moléculaires en réseau. Dans un état idéal, cette structure de réseau présente une viscosité minimale, avec une viscosité dynamique proche de zéro.

Des recherches utilisant des rhéomètres à résonance oscillatoire ont étudié les changements de viscosité et d'élasticité au cours du moussage du prépolymère polyéther, révélant les tendances de la formation de mousse, comme le montre le graphique suivant.

Bien que ces variations de courbe puissent différer légèrement de celles observées dans la production industrielle de mousse, elles reflètent des tendances similaires dans la formation de mousse de polyuréthane, offrant ainsi des informations pratiques. D'après les mesures, le temps nécessaire pour atteindre la hauteur de moussage maximale est d'environ 7 minutes (25 minutes dans la production réelle de mousse de polyuréthane flexible à base de prépolymère de polyéther), la viscosité dynamique maximale culmine autour de 10 minutes, suivie d'une baisse, et l'obtention d'une élasticité maximale prend environ 100 minutes.

Le graphique illustre également que lors de la génération de gaz, le volume de gaz produit dépasse systématiquement la croissance volumique de la mousse. Dans les étapes finales d'une génération importante de gaz, bien que la viscosité dynamique des parois des bulles augmente rapidement, rendant leur écoulement difficile, la courbe de croissance de l'élasticité reste dans une phase de croissance lente. À ce stade, les parois de bulles ne parviennent pas à répondre aux demandes d’expansion du gaz, ce qui entraîne une rupture des parois de bulles et une fuite de gaz, formant une structure de mousse à cellules ouvertes.

Si, pendant le pic de production de gaz, la croissance du poids moléculaire du système est lente et la résistance des parois des cellules de mousse et de la structure du réseau est insuffisante pour résister à la pression d'expansion du gaz, les parois de mousse se rompent inévitablement. En raison de la faible énergie d'activation requise pour la rupture de la paroi de mousse, une fois qu'elle commence, elle se propage davantage, accélérant l'expansion totale de la mousse et provoquant son effondrement. Des ruptures continues localisées entraînent des structures de mousse creuses ou fissurées.

Par conséquent, contrôler l'apparition d'effets indésirables tels que des structures de mousse creuses ou fissurées dans la mousse de polyuréthane implique principalement de contrôler les vitesses de réaction de génération de gaz et de croissance du poids moléculaire, c'est-à-dire les vitesses de réaction du gel.

Dans le processus en une étape de production de mousse de polyuréthane, l'équilibre entre les réactions de moussage et les réactions de gel de croissance de la chaîne moléculaire est obtenu en faisant varier le type et la quantité de catalyseurs utilisés.

Des études de base sur les catalyseurs révèlent que les composés aminés ajustent principalement la réaction entre l'isocyanate et l'eau, catalysant à la fois la génération de dioxyde de carbone et les réactions de croissance de chaîne. Les catalyseurs organiques à l'étain favorisent principalement la réaction entre les composés isocyanate et hydroxyle, catalysant les réactions de croissance de la chaîne polymère.

L’ajustement du dosage de ces deux types de catalyseurs impacte significativement la préparation de la mousse polyuréthane. Par exemple, lorsque la quantité de catalyseur organique à base d'étain est réduite, le taux de croissance moléculaire du polymère ralentit, réduisant ainsi l'élasticité de la paroi cellulaire de la mousse et la rendant sujette à la formation de structures à cellules ouvertes.

En augmentant de manière appropriée la quantité de catalyseur à base d'étain organique ou en réduisant la quantité de catalyseur à base d'amine organique, la résistance des parois cellulaires de la mousse peut être améliorée au stade de production de gaz de pointe, réduisant ainsi l'apparition de vides de mousse ou de fissures. Par conséquent, le dosage du catalyseur organique à l’étain a un effet significatif et sensible sur la structure de la mousse.

Dans des conditions normales de formulation, un dosage insuffisant de catalyseur organique à base d'étain entraîne la formation de mousse creuse, tandis qu'un dosage approprié équilibre les réactions de génération de gaz et les réactions de gel, formant des structures de mousse fines et à cellules ouvertes. Cependant, un dosage trop élevé accélère les taux de croissance de la chaîne polymère, augmente la résistance des parois cellulaires de la mousse et entraîne la formation d'un grand nombre de structures de mousse à cellules fermées.

En utilisant un polyol trihydroxy polyéther de 3 000 poids moléculaire comme matière première et en employant un processus de moussage en une étape, l'influence du dosage du catalyseur de dilaurate de dibutylétain sur la structure cellulaire de la mousse a été spécifiquement étudiée, comme le montre le graphique suivant.

Les résultats sont similaires à ceux évoqués précédemment. De plus, on observe que:

Les mousses à grands pores présentent une plus grande tolérance aux catalyseurs organiques à base d'étain que les mousses à petits pores et sont plus susceptibles de former des structures à cellules ouvertes.

Les conclusions liées à la formation de cellules fermées basées sur les taux de croissance du polymère et le degré de ramification ont été validées en production pratique. Les matériaux à forte ramification forment rapidement des structures en réseau, augmentant ainsi la probabilité d'élasticité moléculaire. Dans des conditions constantes, l’augmentation de l’activité de l’isocyanate augmente également le taux de mousse à cellules fermées. De même, l’augmentation du degré de ramification des polymères polyols montre une tendance similaire. Par exemple, les premières importations américaines de technologie de production de mousse de polyuréthane en provenance d'Allemagne utilisaient du 80/20 TDI avec une activité plus élevée, remplaçant la formulation originale 63/35 TDI. En raison de l'activité plus élevée de cet isocyanate, le taux de croissance de la chaîne polymère a augmenté, entraînant un retrait important de la mousse. Plus tard, la compensation avec des polyéther-polyols à ramifications inférieures a résolu le problème du retrait important de la mousse.

En combinaison avec le premier graphique, des changements dans la structure de la mousse dus à des taux variables de croissance dynamique de la viscosité (courbe A) et de croissance de l'élasticité (courbe B) sous des taux de génération de gaz constants peuvent être observés.

L'augmentation de la courbe A, c'est-à-dire l'augmentation du taux de croissance dynamique de la viscosité, a un impact minimal lorsque l'augmentation est faible. Cependant, une augmentation significative épaissit la paroi cellulaire de la mousse, conduisant à la formation d’une structure à cellules fermées.

La diminution du taux de croissance dynamique de la viscosité (abaissement de la courbe A) prolonge la fluidité des parois cellulaires de la mousse, augmentant ainsi la probabilité de formation de cellules fermées. Si la diminution de la viscosité dynamique se produit trop rapidement, cela peut entraîner des parois cellulaires de mousse trop minces, une rupture prématurée des bulles et un effondrement de la mousse.

L’augmentation du taux de croissance de l’élasticité des bulles (augmentation de la courbe B) favorise la formation de structures à cellules fermées.

La diminution du taux de croissance de l'élasticité des bulles (abaissement de la courbe B) entraîne une résistance insuffisante du réseau de bulles, provoquant la rupture des parois des bulles sous la pression de l'expansion du gaz et de sa propagation ultérieure, ce qui entraîne une mousse creuse ou effondrée.

Contrairement aux mousses plastiques flexibles, les mousses plastiques rigides en polyuréthane nécessitent des corps en mousse présentant une résistance élevée des parois de bulles et des structures à cellules fermées. Par conséquent, lors de la sélection des matériaux, les polymères à structures de ramification élevées sont préférés pour garantir une résistance suffisante des parois en mousse et produire des produits en mousse présentant une bonne stabilité dimensionnelle.