Additifs polyuréthane - Catalyseurs

Dans le système de mousse de polyuréthane, de multiples réactions chimiques se produisent, qui peuvent se produire simultanément ou séquentiellement, ce qui rend le processus très complexe. Ces réactions incluent la réaction entre les isocyanates et les polyols, l'eau et d'autres substances contenant de l'hydrogène actif, ainsi que l'autopolymérisation des isocyanates (couramment observée dans la production de mousse rigide PIR).

Les composés isocyanates organiques contiennent des groupes isocyanates hautement insaturés (-N=C=O), ce qui les rend chimiquement très réactifs. Les atomes d'oxygène et d'azote de ces groupes ont une densité de nuage électronique élevée, l'oxygène étant le plus électronégatif, agissant comme un centre nucléophile qui attire l'hydrogène pour former des groupes hydroxyle. À l’inverse, l’atome de carbone possède la plus faible densité de nuages ​​d’électrons, ce qui le rend fortement électropositif et sensible aux attaques nucléophiles. Le mécanisme catalytique des catalyseurs dans la réaction entre les isocyanates et les composés à hydrogène actif est complexe. Pour les catalyseurs d'amines tertiaires, le mécanisme implique l'attaque nucléophile de composés d'amines tertiaires basiques sur l'ion carbone chargé positivement (C⁺), formant un composé intermédiaire actif. Cet intermédiaire réagit facilement avec les composés à hydrogène actif, libérant le catalyseur basique, qui interagit ensuite avec une autre molécule d'isocyanate pour former un nouvel intermédiaire.

Dans la production de mousse, les principales réactions se situent entre les isocyanates et les polyols, et entre les isocyanates et l'eau. Ces réactions dégagent une chaleur importante, augmentant la température du système et favorisant le durcissement de la mousse. Parmi celles-ci, la réaction entre les isocyanates et les polyols, également connue sous le nom de réaction de gélification ou réaction d’extension de chaîne, augmente considérablement la viscosité du matériau liquide, conduisant à une solidification.

La réaction entre les isocyanates et l'eau, souvent appelée réaction de soufflage, génère du dioxyde de carbone, qui sert de source de gaz pour la structure cellulaire des mousses de polyuréthane souples et de certaines mousses de polyuréthane rigides. Cette réaction produit du dioxyde de carbone et de l'urée substituée grâce à un processus en deux étapes.:

Formation d'un intermédiaire instable, l'acide carbamique.

Décomposition de l'acide carbamique en dioxyde de carbone et urée substituée.

Les vitesses de réaction de l'eau avec les isocyanates et des hydroxyles secondaires avec les isocyanates sont comparables, mais la vitesse de décomposition de l'acide carbamique augmente nettement au-dessus 100°C.

Dans la fabrication de mousse, il est crucial d’équilibrer ces deux réactions pour produire des produits de haute qualité. Si la réaction de soufflage se produit trop tôt et que la croissance de la viscosité est lente, la majeure partie du gaz sera générée avant la fin de la réaction de gélification, entraînant une coalescence des bulles et une fuite de gaz. Cela peut réduire la résistance de la mousse et sa résistance à la déchirure, voire provoquer son effondrement, ce qui donne lieu à des solides non uniformes de haute densité. À l’inverse, si la réaction de gélification dépasse considérablement la réaction de soufflage, une croissance rapide de la viscosité provoquera une gélification prématurée avant une formation adéquate de gaz, produisant une mousse haute densité aux propriétés insatisfaisantes.

Pour des performances optimales de mousse, ces deux réactions primaires doivent s'équilibrer de sorte que lorsque la réaction de soufflage est terminée, la structure du réseau de mousse soit suffisamment solide pour piéger les bulles. Les catalyseurs sont généralement utilisés pour ajuster les réactions complexes afin d'atteindre cet équilibre. Ils accélèrent également les réactions, réduisant ainsi le temps de cycle de production.

Dans la production de mousse moulée, la viscosité du matériau doit initialement augmenter lentement, permettant au matériau de s'écouler dans toutes les cavités du moule. Lorsque le matériau se dilate complètement pour remplir le moule, la réaction de gélification doit être terminée. Cela nécessite que la réaction de gélification démarre lentement mais se termine rapidement, où les catalyseurs jouent un rôle crucial.

Les catalyseurs sont des additifs indispensables dans la production de mousse polyuréthane. Quel que soit le procédé, des catalyseurs sont nécessaires pour réguler les vitesses de réaction. En effet, les réactions entre les isocyanates et les polyéthers (ou polyesters) polyols, ainsi qu'entre les isocyanates et l'eau, sont relativement lentes à température ambiante. Pour garantir que les réactions de soufflage et de gélification atteignent l’équilibre dans un court laps de temps, des catalyseurs doivent être utilisés pour accélérer ces réactions. Étant donné que différents catalyseurs présentent des activités catalytiques variables pour différentes réactions, il est courant d'utiliser deux types de catalyseurs ou plus pour contrôler les niveaux de réaction, répondant ainsi aux exigences de divers processus de production et types de produits.