Comment déterminer le dosage d'eau dans les formulations de mousse PU flexible ?

La mousse conventionnelle dont il est question dans cet article fait principalement référence à la mousse PU flexible traditionnelle produite avec un polyéther polyol conventionnel avec une valeur d'hydroxyle d'environ 56 et un poids moléculaire d'environ 3 000, ainsi qu'avec du TDI-80.

1. Ajustement de la densité de la mousse avec de l'eau et du MC

Dans cette formulation, 1 mole (18 g) d'eau réagit pour produire 1 mole (22,4 L) de dioxyde de carbone. Une mole (environ 85 g) de MC produit 22,4 L de vapeur de MC après vaporisation.

Le volume réel apporté par ces gaz à mesure que la mousse se développe et se stabilise est également affecté par des facteurs tels que la vitesse de réaction, la température interne de la mousse et le comportement de vaporisation du MC.

Par conséquent, la quantité d'eau utilisée dans une formulation de mousse classique n'est pas nécessairement fixe.

Lorsque les autres conditions principales de formulation et de mise en œuvre sont similaires, et que le dosage de TDI est ajusté en fonction du taux d'eau et de l'indice TDI cible, des formulations telles que 3,7 parts d'eau + 9 parts de MC, 3,8 parts d'eau + 8 parts de MC et 3,9 parts d'eau + 7 parts de MC peuvent toutes être utilisées dans des conditions de mise en œuvre appropriées. Elles peuvent également produire des mousses de densités globalement similaires, malgré des dosages d'eau différents.

2. Ajustement de l'équilibre thermique avec de l'eau et du MC

La réaction entre l'eau et le TDI dégage de la chaleur, tandis que la MC absorbe de la chaleur lors de sa vaporisation. Ajuster les quantités d'eau et de MC est donc un moyen important de contrôler l'équilibre thermique au sein de la mousse.

En utilisant les trois mêmes formulations comme exemples :

• Formule 1 : 3,7 parts d'eau + 9 parts de MC ;
• Formule 2 : 3,8 parts d'eau + 8 parts de MC ;
• Formule 3 : 3,9 parts d'eau + 7 parts de MC.

Les trois formulations peuvent être utilisées dans des conditions de traitement appropriées et produire une mousse de densité globalement similaire, mais leurs besoins en chaleur diffèrent. En général, la formule 1 présente le besoin en chaleur le plus faible, suivie de la formule 2, tandis que la formule 3 présente le plus élevé.

L'équilibre thermique à l'intérieur de la mousse influe également sur la température interne maximale, la vitesse de réaction globale et le temps d'évaporation.

Dans des conditions similaires de catalyseur à base d'amine, de catalyseur à base d'étain et d'indice TDI, la Formule 1 présentera généralement une température interne maximale plus basse, une réaction globale plus lente et un temps de soufflage relativement plus long.

3. L'eau et le système catalytique influencent conjointement la réaction.

Les polyols polyéthers classiques utilisés dans ce type de mousse ont une réactivité relativement faible, leur réaction avec le TDI se déroule donc comparativement lentement.

Dans les formulations de mousse conventionnelles de densité moyenne et faible, les quantités d'eau et de TDI sont relativement élevées. Les réactions entre l'eau et le TDI, notamment la formation d'urée qui s'ensuit, constituent donc une source importante de chaleur au sein de la mousse.

Les catalyseurs aminés influencent fortement la réaction d'expansion eau-TDI ainsi que l'équilibre réactionnel global. Par conséquent, dans les formulations de mousse classiques, le dosage d'eau doit être ajusté conjointement avec les catalyseurs aminés, les catalyseurs à base d'étain et les autres conditions réactionnelles.

4. Analyse statique et dynamique

Les trois premières sections examinent principalement les relations entre l'eau, la teneur en eau et le comportement réactionnel d'un point de vue relativement statique. Cependant, lors du moussage réel, il est également nécessaire de comprendre ces facteurs de manière dynamique.

Le premier processus dynamique est l'équilibre entre la chaleur générée par la réaction eau-TDI et la chaleur absorbée par la mousse de carbone lors de sa vaporisation. La température du matériau, le système catalytique et la vitesse globale de la réaction influencent tous la manière dont la chaleur se développe au sein de la mousse durant cette étape.

Le second processus dynamique est l'expansion continue de la mousse. À mesure que son volume augmente, le MC continue de se vaporiser et d'absorber de la chaleur, tandis que la mousse en cède également à son environnement. Ces processus peuvent ralentir la vitesse à laquelle la chaleur de réaction élève la température interne de la mousse.

Le troisième processus dynamique est l'élévation globale de la température interne de la mousse, due à la poursuite des réactions exothermiques. À mesure que la température augmente, la vitesse des différentes réactions s'accroît également, tandis que les gaz contenus dans la mousse subissent une dilatation thermique. Dans des conditions approximatives, par exemple, un gaz chauffé de 20 °C à 100 °C voit son volume multiplié par environ 1,27.

L’expérience acquise avec les formulations de mousse conventionnelles de densité similaire utilisées dans différentes régions révèle qu’une différence notable réside souvent dans le rapport eau/MC. Le système de catalyse aminée peut ainsi être adapté aux variations des matières premières, aux conditions locales et aux environnements de production.

En production, une différence notable de formulation entre le moussage horizontal et le moussage vertical réside dans le rapport eau/MC, souvent différent.

Lors du moussage vertical, la mousse en expansion doit acquérir rapidement une résistance structurelle suffisante. Ceci impose des exigences accrues en termes de vitesse de réaction et de développement de la structure de la mousse. Dans certaines formulations de mousses souples traditionnelles, une proportion d'eau plus élevée est utilisée pour favoriser la formation d'urée et ajuster le comportement de moussage.

Par conséquent, dans ces types de formulations, le moussage vertical à la même densité cible utilise souvent un rapport eau/MC plus élevé que le moussage horizontal.

Globalement, une fois que la densité et la dureté cibles d'une formulation de mousse conventionnelle de densité moyenne ou faible ont été établies, le dosage d'eau n'a pas nécessairement une valeur fixe unique et peut être ajusté dans une certaine plage.

Cependant, la modification du dosage d'eau ne se limite pas à altérer la quantité de gaz de soufflage. Elle influe également sur la demande en TDI, la formation d'urée, la chaleur de réaction et le bilan réactionnel global.

C’est pourquoi la formulation finale doit prendre en compte le dosage de MC, l’indice TDI, le système de catalyseur, la température de la matière première et le procédé de moussage spécifique, afin de pouvoir s’adapter à différentes matières premières, machines, températures ambiantes, moussage à tête oscillante, moussage à bac de débordement, moussage horizontal, moussage vertical et autres conditions de production.