Expliquer la stabilité de la mousse de polyuréthane

Au cours du processus de moussage de la mousse de polyuréthane, les bulles initiales formées sont très similaires à celles formées dans un système de solution savonneuse. Cette similitude ne s'étend pas aux étapes ultérieures de la formation des bulles en raison de l'augmentation rapide de la viscosité et de l'élasticité de la phase liquide au fur et à mesure de la réaction de polymérisation, ce qui diffère considérablement des bulles dans un système de solution savonneuse. Les recherches sur le mécanisme des bulles dans les systèmes à mousse aqueuse suggèrent que pour obtenir des pores fins, une certaine quantité d'énergie libre doit être ajoutée au système lorsqu'un certain volume de gaz est dispersé dans un certain volume de liquide pour former des bulles. La relation est donnée par:

△F=rA

Où:

△F = énergie libre ;

r = tension superficielle ;

A = surface totale de l'interface de la bulle.

De cette relation, on peut voir que sans énergie suffisante, le système de mousse liquide a tendance à réduire la surface d’interface, conduisant à une coalescence ou à une rupture de bulles. Des mesures telles qu'une solidification rapide de la mousse avant la coalescence ou la rupture, ou l'ajout d'huile de silicone pour réduire la tension superficielle, peuvent aider à obtenir une plus grande surface d'interface de bulle A dans les mêmes conditions énergétiques (δF), contribuant à la production de bulles plus fines.

Après moussage et avant solidification, la forme des cellules mousseuses évolue généralement dans le temps en raison de la diffusion progressive du gaz dissous dans la phase liquide dans les bulles et de la diffusion mutuelle du gaz entre les bulles, provoquant une coalescence. Généralement, la pression interne du gaz dans les cellules sphériques est supérieure à la pression du liquide environnant, donnée par la relation:

△P=2r/R

Où:

R = rayon de la bulle ;

r = tension superficielle.

Habituellement, la pression du gaz dans les petites bulles est supérieure à celle des grosses bulles. La différence de pression interne entre des bulles de rayons différents est:

△ P ² = 2r[(1/R ₁ )-(1/R ₂ )

Cette différence de pression provoque la diffusion progressive du gaz provenant de bulles plus petites vers des bulles plus grosses, entraînant la disparition des bulles plus petites et la croissance de bulles plus grosses au fil du temps. La réduction de la tension superficielle aide à diminuer la différence de pression entre des bulles de différentes tailles, contribuant ainsi à la stabilité des bulles et à une taille de pores uniforme.

Empêcher la rupture des cellules avant que le polymère ne se solidifie est crucial pour la production de mousse. A l’état liquide, cela peut être envisagé à travers les concepts suivants:

Quelle que soit la tension superficielle du liquide, une mousse stable ne peut être obtenue à partir d’un liquide pur seul. Pour obtenir une mousse relativement stable, deux conditions doivent être remplies : le système doit comporter au moins deux composants, et ces composants doivent préférentiellement s'adsorber à la surface de la bulle. La tension superficielle est déterminée par le type et la quantité de solutés adsorbés (principe de Gibbs):

dr=-&somme;Γdμ

Où:

μ = potentiel chimique du composant ;

&Gamma ; = excès de surface du composant.

Avec une quantité limitée de soluté, l’augmentation de la surface réduit

&Gamma ;, augmentant ainsi le tensionneur superficiel, ce qui empêche une expansion ultérieure de la surface. Cette relation empêche l’amincissement de la membrane cellulaire, contribuant ainsi à la stabilité des bulles.

La température affecte également la stabilité des bulles ; des températures plus élevées réduisent la tension superficielle, favorisant l’amincissement de la membrane cellulaire et la rupture des bulles. Le drainage capillaire à l’intérieur des parois à bulles est un autre facteur affectant la stabilité. Une coupe transversale agrandie de la paroi de la bulle est visible dans le diagramme ci-dessous. Sur le diagramme, nous pouvons voir que l'action capillaire provoque un drainage du point 3 vers les points 1 et 2, amincissant la paroi de la bulle.

Effet de drainage capillaire au stade précoce de la formation de mousse

En raison de la faible énergie d’activation nécessaire à la rupture de la mousse, une fois que la rupture des cellules commence, elle s’accélère souvent, conduisant à l’effondrement de la mousse. L’effet électrique double couche a peu d’impact sur ce processus. Si les charges s’accumulent des deux côtés de la membrane à bulles, elles se repoussent, limitant ainsi l’amincissement de la membrane. Cet effet est moins significatif dans les milieux organiques à faibles constantes diélectriques que dans les systèmes aqueux. Les forces de Van der Waals contrecarrent également l’amincissement de la membrane, car l’attraction entre les surfaces augmente à mesure que la membrane s’amincit.

En résumé, les facteurs empêchant l’amincissement de la membrane et la stabilisation de la mousse comprennent:

1  Augmenter la surface, augmentant ainsi l'énergie libre ;

2  Réduire l'excès de surface pour augmenter la tension superficielle ;

3  Augmentation de la viscosité du matériau ;

4  Impact minimal de l’effet électrique double couche sur l’amincissement de la membrane.

À l’inverse, les facteurs provoquant l’amincissement de la membrane et la rupture des bulles comprennent:

1  Drainage capillaire ;

2  Drainage induit par la gravité ;

3  Tout facteur réduisant la tension superficielle, tel que les points chauds ou les antimousses ;

4  Forces de Van der Waals entre les surfaces des membranes.

Les mesures courantes pour la production de mousse de polyuréthane comprennent:

1  Ajout de tensioactifs pour réduire la tension superficielle, aidant à produire des microbulles uniformes (△F=r△A), à stabiliser les bulles et à réduire la diffusion des gaz ( △ P = 2r[(1/R ₁ - 1/ R ₂ ) ]) ;

2  Augmentation rapide de la viscosité du matériau pour réduire l'amincissement de la membrane et stabiliser les bulles ;

3  Augmenter la résistance des jonctions des membranes et des bulles ;

4  Réduire les impuretés pour empêcher la réduction locale de la tension superficielle et l'effondrement local de la mousse, créant ainsi des vides.