Structure moléculaire et synthèse des stabilisants de mousse

Les stabilisants de mousse utilisés pour les mousses de polyuréthane peuvent être classés en deux types principaux : non ioniques et ioniques, ainsi qu'en composés à base de silicone et sans silicone. Dans les premiers plastiques en mousse, en particulier pour les mousses souples de polyuréthane à base de polyester, des tensioactifs ioniques et non ioniques sans silicone étaient couramment utilisés. Ceux-ci comprennent les alkydes d'huile de ricin sulfonées, les alkylsulfonates et les esters d'acides gras de polyéthylèneglycol (par exemple, le monooléate de sorbitane de polyéthylèneglycol, également connu sous le nom de Tween-80).  

La structure des stabilisants en mousse à base de silicone varie considérablement en fonction de leur application dans différents systèmes de mousses souples, de mousses rigides et de mousses à haute résilience (HR). Généralement, ils comprennent des unités répétitives diméthylsiloxane, des unités oxyde d'éthylène (EO) et des unités oxyde de propylène (PO). La liaison entre les composants siloxane et oxyde de polyalkylène peut prendre diverses formes, telles que des structures de blocs linéaires de type AB, des structures de blocs linéaires de type ABA et des structures à une ou plusieurs branches. Les copolymères aléatoires d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène diffèrent également par leur composition et leur poids moléculaire.  

La composition chimique des copolymères d'oxyde d'éthylène et d'oxyde de propylène et leur connexion aux chaînes organosiliciées influencent les performances de surface et la stabilité du stabilisant. Lors de la polymérisation des oxydes d'alkylène, des alcools monohydriques de faible poids moléculaire peuvent être utilisés comme initiateurs, permettant un contrôle précis du poids moléculaire. Différentes méthodes de couplage avec le polysiloxane produisent une variété de stabilisants de mousse.  

Lors du processus de formation de mousse, la précipitation de polyurée insoluble perturbe la stabilité de la mousse. Une fonction essentielle des tensioactifs polyéther-siloxane est la dispersion de la polyurée pour améliorer sa compatibilité avec la matrice de mousse. Cette fonction est réalisée grâce aux segments polyéther. L'augmentation de la teneur en oxyde d'éthylène dans la chaîne polyéther améliore la solubilité de la polyurée dans le mélange moussant.  

Sur la base de la nature chimique de la liaison entre les segments polysiloxane et oxyde de polyalkylène, les tensioactifs silicones peuvent être classés en types Si-O-C (silicium-oxygène-carbone) et Si-C (silicium-carbone).  

- Liaisons Si-C : Elles sont hydrolytiquement stables, permettant un stockage à long terme sans dégradation.  

- Liaisons Si-O-C : il s'agissait des premiers stabilisants de mousse de silicone développés, offrant des avantages tels que des matières premières facilement disponibles, des processus de fabrication matures et une stabilisation efficace de la mousse. Cependant, les liaisons Si-O-C sont sujettes à l'hydrolyse dans des conditions fortement acides ou basiques. Les stabilisants avec des liaisons Si-O-C ne conviennent pas aux formulations pré-mélangées avec des catalyseurs d'amine tertiaire et de l'eau, car l'hydrolyse compromet leur fonction stabilisante.  

Les modifications des structures de liaison Si-O-C dues à l'hydrolyse, bien que difficiles à détecter par les méthodes physico-chimiques conventionnelles, ont un impact significatif sur les performances du stabilisant. L'hydrolyse entraîne une séparation du siloxane et du polyéther, conduisant à une incompatibilité du système et, dans les cas graves, à une séparation de phases. Par conséquent, les stabilisants de type Si-C sont principalement utilisés pour les mousses rigides, les mousses semi-rigides et les mousses HR. Pour les mousses souples en blocs où les composants sont généralement ajoutés séparément, la structure Si-C est moins critique, mais la plupart des stabilisants silicone actuels sont à base de Si-C.  

Synthèse de tensioactifs silicones Si-O-C

Pour synthétiser des tensioactifs de type Si-O-C, des oligomères d'oxyde de polyalkylène et des oligomères de polysiloxane sont d'abord préparés, suivis de la réaction de leurs groupes actifs. Le contrôle des paramètres tels que le rapport EO/PO, l’indice d’hydroxyle et le poids moléculaire est essentiel pour adapter l’hydrophilie et la réactivité des intermédiaires.  

Spécialisation et optimisation des stabilisateurs de mousse  

Avec la variété croissante des mousses plastiques et les progrès des équipements de moussage, les stabilisants en mousse sont de plus en plus spécialisés, raffinés et diversifiés. Les stabilisants polyéther-siloxane linéaires et ramifiés conviennent généralement, bien que les structures ramifiées offrent une stabilité supérieure. Les stabilisants commerciaux sont souvent constitués de plusieurs types de copolymères organosilicium-polyéther avec des structures et des compositions moléculaires variées, améliorant l'adaptabilité de la formulation et la stabilisation de la mousse.  

Facteurs affectant les performances  

- La modification du rapport et de la séquence EO/PO affecte la solubilité et l'hydrophilie du tensioactif dans les polyols.  

- L'augmentation du poids moléculaire et de la teneur en EO dans les chaînes polyéther améliore l'activité de surface.  

- Les chaînes diméthylsiloxane combinées aux chaînes polyéther pendantes maximisent l'activité de surface, couramment utilisées dans les mousses de polyuréthane rigides.  

- Les formulations de mousse souple utilisent des copolymères polyéthers multi-pendentifs pour assurer la stabilité de la mousse.  

Améliorations du retardateur de flamme

La modification de la structure du polysiloxane dans les stabilisants peut améliorer le caractère ignifuge. Par exemple, les groupes polaires comme le cyanure d'allyle dans la chaîne siloxane améliorent la solubilité du polyméthylsiloxane pendant la combustion, réduisant ainsi les effets néfastes sur le comportement de l'écoulement fondu et réduisant l'inflammabilité.