Formation de mousse de polyuréthane

Le processus de moussage de la mousse plastique peut être divisé en plusieurs étapes, comme le montre le schéma ci-dessous. Dans la phase initiale (intervalle I), le dioxyde de carbone est généré par la réaction entre l'isocyanate et l'eau, ou un agent moussant externe (solvant à bas point d'ébullition) se vaporise soudainement en raison de la chaleur de réaction, provoquant une augmentation rapide de la concentration de gaz dans le matière réactive. Une fois que la concentration de gaz dépasse une certaine concentration de saturation d’équilibre, de fines bulles commencent à se former dans la solution. Ce processus est généralement appelé nucléation.

Relation entre les changements de concentration de gaz, la nucléation et la croissance des pores de mousse dans la solution

Ce processus d'autonucléation (dans l'intervalle II) se poursuit jusqu'à ce que la concentration du gaz atteigne une certaine plage. Lorsque la nucléation progresse jusqu'au point où plus aucune microbulle n'est générée, la concentration de gaz dans la solution continue de diminuer, principalement par diffusion, à mesure que le gaz s'échappe dans les microbulles déjà formées (intervalle III). À mesure que la concentration de gaz diminue progressivement et qu’aucun gaz n’est produit, elle atteint une concentration de saturation d’équilibre. Après cette étape, aucune nouvelle bulle ne se forme et le gaz contenu dans les petites bulles se fond en bulles plus grosses par diffusion, formant des bulles fusionnées, ou se dilate sous l'effet de la chaleur.

Le début de l'intervalle II peut être observé à partir du changement dans le matériau réactif qui devient blanc pendant le processus de moussage. Ainsi, la durée de l'intervalle I correspond à peu près au temps de crème dans le processus de moussage, qui est généralement d'environ 10 secondes. La durée de l'Intervalle II est plus difficile à déterminer avec précision mais est généralement considérée comme plus courte que le temps de montée (le temps nécessaire à la mousse pour atteindre son volume maximum). Dans les formulations moussantes typiques, le temps de montée est d'environ 60 à 120 secondes. Lorsque le moussage est terminé, Interval III est également presque terminé.

La plupart des formulations moussantes contiennent certains agents de nucléation de mousse, tels que l'huile de silicone bien dispersée. Ceci est particulièrement efficace dans le processus de moussage des plastiques en mousse de polyuréthane de type polyéther. Le rôle des agents de nucléation est d’assurer une nucléation rapide et continue même à des degrés de sursaturation en gaz plus faibles, ce qui donne lieu à des pores de mousse denses et uniformes.

De plus, la pré-dissolution d’une certaine quantité de gaz dans le matériau réactif est bénéfique pour le moussage et favorise une nucléation précoce. Par exemple, dans les machines à mousse industrielles, une petite quantité d’air est souvent injectée dans la tête de mélange pour ajuster la taille des pores. De même, l'installation d'une plaque à orifices plus grande dans la tête de mélange pour créer une pression négative ou l'augmentation de l'espace dans le manchon de la tête de mélange pour faciliter l'entrée d'air peut également améliorer la structure des pores.

À l'inverse, dans les systèmes de moussage de prépolymères de type polyéther, lorsque le moussage est effectué avec des prépolymères généralement utilisés dans la production industrielle, le dégazage du prépolymère avant le moussage pour éliminer les gaz dissous entraîne un moussage qui ne fait que bouillir et se rompre en continu, ne parvenant pas à produire la mousse plastique souhaitée, quelle que soit la raison. de la concentration d'huile de silicone (agent nucléant) ajoutée. Cependant, lorsque du dioxyde de carbone, de l'air, de l'azote, du butane ou des particules solides bien dispersées (telles que de la poudre de quartz) sont pré-ajoutés au même prépolymère avant le moussage, des produits plastiques uniformément moussés sont obtenus. La raison principale est que ces additifs facilitent la nucléation de la mousse.

Dans le diagramme, la relation entre les changements de concentration de gaz, la nucléation et la croissance des pores de la mousse explique également pourquoi les catalyseurs fortement producteurs de gaz (c'est-à-dire ceux ayant un fort effet catalytique sur la réaction entre l'isocyanate et l'eau), tels que le tétraméthyl-1,3 -butanediamine, produit de meilleurs pores par rapport à l'éthylmorpholine dans le moussage du prépolymère. Des catalyseurs plus puissants peuvent rapidement augmenter la concentration de gaz dans le matériau, accélérant l'entrée dans la zone d'auto-nucléation, favorisant une nucléation rapide et la formation de davantage de bulles, ce qui donne lieu à des pores satisfaisants.

L'ajout d'huile de silicone ou d'autres additifs pour réduire la tension superficielle du liquide est également très important. Il permet une autonucléation plus facile à des concentrations de gaz plus faibles par rapport aux matériaux sans tension superficielle réduite.