La mousse de polyuréthane (mousse PU) est principalement constituée de polyuréthane comme composant principal. Les matières premières comprennent principalement des polyisocyanates et des polyols, auxquels sont ajoutés divers additifs, dont les plus importants sont une série d'agents moussants liés au processus de moussage. Ces additifs conduisent à la production d’une quantité importante de mousse dans le produit de réaction, donnant lieu à des produits en mousse de polyuréthane. Cet article donne un bref aperçu des matières premières utilisées dans la production de mousse PU et des agents moussants.


1.Polyisocyanates


Les polyisocyanates les plus couramment utilisés dans la production industrielle de mousses de polyuréthane comprennent le diisocyanate de toluène (TDI), le polyméthylène polyphénylisocyanate (PAPI), le diisocyanate de diphénylméthane (MDI) et le MDI liquide (L-MDI).



TDI


Le TDI est principalement utilisé dans la production de mousses flexibles de polyuréthane. Le MDI a une réactivité plus élevée que le TDI, une volatilité plus faible, et certaines formes modifiées de MDI peuvent être utilisées comme substituts au TDI dans la production de mousses de polyuréthane flexibles, y compris la mousse de polyuréthane haute densité et la fabrication d'élastomères de polyuréthane semi-rigides ou microcellulaires.


Le PAPI, également connu sous le nom de MDI brut ou MDI polymérisé, a généralement un poids moléculaire moyen allant de 30 à 400, avec une teneur en NCO de 31 % à 32 %. Dans le domaine des mousses plastiques, le PAPI et le PAPI modifié sont principalement utilisés pour produire diverses mousses rigides de polyuréthane, certaines étant également utilisées dans la production de mousses flexibles à haut rebond, de mousses à peau intégrale et de mousses semi-rigides. Le PAPI peut être mélangé au TDI pour fabriquer des mousses plastiques durcies à froid et à rebond élevé.


2. Polyols polyéther et polyester


2.1 Polyols polyéther


Les polyéthers polyols utilisés pour produire des mousses flexibles de polyuréthane sont généralement des polyéthers à longue chaîne et à faible fonctionnalité. Dans la formulation de mousses souples, la fonctionnalité des polyéther polyols est généralement comprise entre 2 et 3, avec un poids moléculaire moyen allant de 2000 à 6500. Les triols de polyéther sont le plus souvent utilisés dans les mousses flexibles, généralement initiés avec du glycérol (propane-1,2,3-triol) et obtenus par polymérisation par ouverture de cycle avec du 1,2-époxy propane ou par copolymérisation avec une petite quantité d'oxyde d'éthylène, avec un poids moléculaire généralement compris entre 3000 et 7000.



Polyols de polyéther


Les polyéther polyols à haute activité sont principalement utilisés pour les mousses flexibles à haut rebond et peuvent être utilisés dans la production de mousses semi-rigides et d'autres produits en mousse. Certains polyéther diols peuvent être utilisés comme matériaux auxiliaires, mélangés à des polyéther triols dans des formulations de mousse flexible. Des polyétherpolyols à faible insaturation et à poids moléculaire élevé sont utilisés pour la production de mousses souples, réduisant ainsi la quantité de TDI requise.


Les polyéther polyols utilisés dans les formulations de mousse rigide sont généralement des polyéther polyols à haute fonctionnalité et à indice d'hydroxyle élevé pour obtenir une réticulation et une rigidité suffisantes. L'indice d'hydroxyle des polyéther polyols pour les formulations de mousse rigide est généralement compris entre 350 et 650 mg KOH/g, avec une fonctionnalité moyenne de 3 ou plus. Les formulations de mousse rigide utilisent souvent une combinaison de deux types de polyéther polyols, avec un indice d'hydroxyle moyen d'environ 4 000 mg KOH/g.


Les formulations de mousse semi-rigide utilisent souvent certains polyéthers de poids moléculaire élevé, en particulier des polyéther triols à haute activité, et certains polyéther polyols de faible poids moléculaire à haute fonctionnalité provenant de formulations de mousse rigide.

2.2Polyesters polyols


Des polyester-polyols aliphatiques de faible viscosité, tels que des adipates-diols d'hexanediol ayant un indice d'hydroxyle d'environ 56 mg KOH/g, ou des polyester-polyols légèrement ramifiés, peuvent être utilisés pour produire des mousses flexibles de polyuréthane à base de polyester. Les polyester-polyols ont une réactivité élevée. Actuellement, la mousse de polyuréthane en blocs à base de polyester n'est utilisée que dans quelques domaines, comme les matériaux auxiliaires pour les vêtements.



Polyols de polyester


Les polyester-polyols aromatiques, synthétisés à partir d'acides dicarboxyliques (tels que l'anhydride phtalique, l'acide téréphtalique, etc.) et de diols à petites molécules (tels que l'éthylène glycol, etc.) ou de polyols, sont utilisés pour produire des mousses rigides de polyuréthane et des mousses rigides de polyisocyanurate. Les polyester-polyols à faible valeur d'hydroxyle dérivés de l'anhydride phtalique peuvent également être utilisés pour les mousses flexibles à haut rebond, les mousses à peau intégrale, les mousses semi-rigides et les matériaux polyuréthanes non moussants.

2.3 Polyols polymères


Les polyols polymères, notamment le styrène rigide, les homopolymères d'acrylonitrile, les copolymères et les polymères greffés, agissent comme des « charges » organiques pour améliorer les performances de charge. Les polyols polymères sont utilisés dans la production de mousses en blocs flexibles de haute dureté, de mousses à rebond élevé, de mousses flexibles thermoplastiques, de mousses semi-rigides, de mousses auto-peau et de produits moulés par injection-réaction (RIM). Ils peuvent réduire l'épaisseur du produit, réduire la densité de la mousse pour réduire les coûts, augmenter l'ouverture des cellules en mousse plastique et conférer des propriétés ignifuges aux produits.



Polyols polymères


Les polyols de polyurée (dispersions PHD) constituent une classe spéciale de polyols modifiés par des polymères utilisés dans les mousses flexibles à haut rebond, les mousses semi-rigides et les mousses souples, mais leur présence sur le marché est limitée.


Il existe également des polyols spéciaux utilisés pour la production de mousses de polyuréthane, tels que les polyols à base d'huile végétale, les polyols de polyester à base de colophane et les polyesters polymères. Ceux-ci ne sont pas décrits en détail dans cet article.

De nombreux facteurs affectent le processus de moussage et la qualité du produit final lors de la fabrication de mousse de polyuréthane flexible. Parmi ceux-ci, les facteurs environnementaux naturels tels que la température, l’humidité de l’air et la pression atmosphérique jouent un rôle crucial. Ces facteurs influencent considérablement la densité, la dureté, le taux d’allongement et la résistance mécanique de la mousse.


1. Température:


La réaction de moussage du polyuréthane est très sensible, la température étant un facteur de contrôle clé. À mesure que la température du matériau augmente, la réaction de moussage s'accélère. Dans les formulations sensibles, des températures excessivement élevées peuvent présenter des risques tels que la combustion du noyau et l'inflammation. Généralement, il est essentiel de maintenir des températures constantes pour les composants polyol et isocyanate. L'augmentation de la température entraîne une diminution correspondante de la densité de la mousse pendant le moussage.


Particulièrement en été, les températures élevées augmentent la vitesse de réaction, ce qui entraîne une diminution de la densité et de la dureté de la mousse, un taux d'allongement accru, mais également une résistance mécanique améliorée. Pour contrer la diminution de la dureté, il est conseillé d'ajuster l'indice TDI. Les fabricants doivent ajuster les paramètres de processus en fonction des variations de température saisonnières et régionales pour garantir la stabilité de la qualité des produits.


2. L'humidité de l'air:


L’humidité de l’air affecte également le processus de moussage de la mousse flexible de polyuréthane. Une humidité plus élevée provoque des réactions entre les groupes isocyanates de la mousse et l'humidité de l'air, entraînant une réduction de la dureté du produit. L'augmentation du dosage de TDI pendant le moussage peut compenser cet effet. Cependant, une humidité excessive peut augmenter les températures de durcissement, provoquant potentiellement une brûlure du noyau. Les fabricants doivent ajuster soigneusement les formulations et les paramètres du processus de mousse dans les environnements humides pour garantir la qualité et la stabilité du produit.


3. Pression atmosphérique:


La pression atmosphérique est un autre facteur d'influence, en particulier dans les zones situées à différentes altitudes. L’utilisation de la même formulation à des altitudes plus élevées entraîne une densité de produit en mousse relativement plus faible. Cela est dû aux variations de pression atmosphérique affectant la diffusion et l’expansion du gaz lors du moussage. Les fabricants opérant dans des régions de haute altitude doivent en prendre note et devront peut-être ajuster les formulations ou les paramètres de processus pour répondre aux exigences de qualité.



En conclusion, les facteurs environnementaux naturels ont un impact significatif sur le processus de moussage et la qualité du produit final de la mousse flexible de polyuréthane. Les fabricants doivent ajuster les paramètres de processus en fonction des conditions saisonnières, régionales et environnementales pour garantir une densité, une dureté et une résistance mécanique stables de la mousse, répondant ainsi aux demandes et aux normes des clients.

Les débutants craignent que si la plaque de décantation n'est pas correctement ajustée, le liquide s'écoulant de la buse peut provoquer une poussée avant ou arrière, affectant le processus de moussage. Deux minutes après le démarrage de la machine, la vitesse de réaction augmente progressivement, nécessitant parfois des ajustements du plateau de décantation. Les ajustements de la plaque de décantation sont plus critiques dans les formules à faible densité et à haute teneur en humidité (MC).



Le débit de TDI (Toluène Diisocyanate) peut être calculé pour correspondre à la valeur de l'échelle, mais il est recommandé de mesurer réellement le débit de TDI lors du premier moussage. Le débit est trop important ; si le débit n’est pas précis, tout le reste sera un désastre. Il est préférable de s'appuyer sur la méthode la plus simple et la plus intuitive pour mesurer le débit.



Lors du mélange des poudres, la poudre de pierre mélangée doit être laissée toute la nuit et la production doit commencer le lendemain. Pour les ingrédients contenant de la mélamine et de la poudre de pierre, il est recommandé de mélanger d'abord la mélamine avec du polyéther pendant un certain temps avant d'ajouter la poudre de pierre.



Les formules de machines à mousse avec une longue chambre de mélange dans la tête de la machine ou plus de dents sur l'arbre d'agitation contiennent généralement moins d'amines et une température de matériau plus basse. À l’inverse, les formules de machines à mousse avec une chambre de mélange courte dans la tête de la machine ou moins de dents sur l’arbre d’agitation contiennent généralement plus d’amines et une température de matériau plus élevée.



Pour la même formule, lors du passage entre des têtes pivotantes à double pulvérisation et des têtes pivotantes à pulvérisation unique avec des sections transversales de buse similaires, les exigences en matière d'épaisseur de maille et de couches sont similaires.



Pour l'étalonnage du débit de matériau mineur, une méthode consiste à mesurer le débit de retour du matériau mineur, et l'autre consiste à le calibrer en divisant la quantité totale utilisée par le temps de moussage. Lorsqu'il existe une différence significative entre les deux méthodes d'étalonnage, fiez-vous aux données de la deuxième méthode d'étalonnage.



Les formules de mousse souple de haute qualité se situent généralement dans une plage instable, telle qu'un faible indice TDI, un faible rapport eau/MC, un faible dosage de T-9 et un faible dosage d'huile de silicone.

Lors d'incendies annuels, une proportion importante des inflammations sont causées par la mousse, notamment les incendies de canapés et diverses inflammations provenant d'emballages souples. Ces incidents se produisent beaucoup trop fréquemment. Comment pouvons-nous fondamentalement éliminer ou réduire de tels événements ?



Une approche efficace consiste à partir des matières premières, un peu comme si l’on traitait la cause profonde d’une maladie. L’ajout de retardateurs de flamme à la mousse de polyuréthane peut prévenir efficacement l’inflammation.



Maintenant, comprenons la mousse ignifuge:



La mousse ignifuge, également connue sous le nom de mousse ignifuge, porte le nom chimique de mousse de polyuréthane, qui est divisée en mousse souple (principalement utilisée pour les meubles) et en mousse rigide (principalement utilisée pour l'isolation). Généralement, il s’agit d’un matériau ignifuge synthétisé en ajoutant divers retardateurs de flamme au polyuréthane.



L'effet ignifuge du produit répond aux exigences de la norme ASTM 117 et des normes nationales. La méthode d’utilisation est la même que celle de la mousse ordinaire.



La combustion des polymères est une réaction d’oxydation très complexe et intense. Le processus se produit lorsque le polymère est chauffé en continu par une source de chaleur externe, déclenchant une réaction en chaîne de radicaux libres avec l'oxygène de l'air. Cela libère de la chaleur, intensifiant encore la dégradation du polymère, générant davantage de gaz inflammables et rendant la combustion plus sévère.



Il existe deux méthodes pour ignifuger la mousse ignifuge:



La première consiste à introduire chimiquement des éléments ignifuges ou des groupes contenant de nouveaux éléments ignifuges dans la structure moléculaire de la mousse. L'autre méthode consiste à ajouter à la mousse des composés contenant des éléments ignifuges. La première méthode utilise des substances ignifuges appelées ignifugeants réactifs, tandis que la seconde méthode utilise des substances appelées ignifugeants additifs.



Actuellement, la grande majorité des retardateurs de flamme utilisés dans les mousses sont des retardateurs de flamme additifs, tandis que les retardateurs de flamme réactifs sont principalement utilisés dans les résines thermodurcissables telles que les résines époxy et les polyuréthanes. La fonction principale des retardateurs de flamme est d'interférer avec les trois éléments de base nécessaires à la combustion : l'oxygène, la chaleur et le carburant. Ceci peut généralement être réalisé par les moyens suivants:



Les retardateurs de flamme peuvent produire des gaz ininflammables plus lourds ou des liquides bouillants qui recouvrent la surface de la mousse, interrompant ainsi le lien entre l'oxydation et le carburant.



En absorbant la chaleur par décomposition ou sublimation, les retardateurs de flamme réduisent la température de surface du polymère.



Les retardateurs de flamme génèrent une grande quantité de gaz ininflammables, diluant la concentration de gaz inflammables et d'oxygène dans la zone de combustion.



Les retardateurs de flamme capturent les radicaux libres, interrompant la réaction en chaîne de l'oxydation.

La température interne de la mousse est aussi indispensable que la vitalité l’est à une personne. Si la température de post-durcissement de l’éponge est trop basse, ses propriétés physiques ne seront pas optimales et il y aura des fluctuations significatives de ces propriétés.



Une fois que la mousse est bien développée, sa température interne augmente rapidement jusqu'à plus de 120 degrés Celsius en raison de la réaction exothermique se produisant dans de mauvaises conditions de dissipation thermique, devenant ainsi l'un des risques d'incendie.



La température interne de la mousse est cruciale pour former ses propriétés supérieures. La mousse mûrie à des températures externes spécifiques présente des propriétés physiques exceptionnellement supérieures comme la résistance à la traction. Certains calculent la température de la mousse à l'aide de formules, tandis que d'autres utilisent un logiciel pour saisir des formules et calculer automatiquement la température interne de la mousse. Alors, quels facteurs influencent la température interne de la mousse ? Est-il important de connaître ces facteurs ? Cela ressemble à la haute résolution des appareils photo des téléphones modernes, mais cela rend-il la photographie professionnelle inutile ? Les ajustements tels que l’ouverture, la distance focale et le temps d’exposition sont-ils inutiles ? Pour mieux contrôler les choses, il faut en saisir davantage les variables clés. Commençons par les principes de base pour comprendre les changements de température interne de la mousse.



Tout d’abord, comprenons quelques règles de base.



La température d'un espace est directement proportionnelle à la quantité d'énergie thermique injectée dans cet espace et inversement proportionnelle à sa taille.


Par exemple, si 10 kilojoules de chaleur sont distribués dans un espace de 8 litres, la température de cet espace est de 20 degrés Celsius. Si les mêmes 10 kilojoules de chaleur sont distribués dans un espace de 4 litres, la température atteint 40 degrés Celsius.


La quantité de chaleur apportée est directement proportionnelle à la valeur de l’apport thermique et à la vitesse de l’apport thermique.


Par exemple, si 100 kilojoules de chaleur sont libérés à la vitesse « v », l'apport de chaleur est « A ». Si les mêmes 100 kilojoules de chaleur sont libérés à une vitesse de 2 V, l'apport de chaleur devient 2 A.


La taille d'un espace est directement proportionnelle à la température absolue.


Par exemple, un espace de 1 litre à 0 degré Celsius devient 1,366 litre à 100 degrés Celsius car (273,15 + 100)/(273,15 + 0) = 1,366.


La taille d'un espace est inversement proportionnelle à la pression atmosphérique.


Le retard dans la vaporisation du méthane doit être pris en compte.


Examinons ensuite comment le réglage fin de la formule affecte la température interne de la mousse.



Puisqu'il s'agit d'un réglage fin, nous estimerons que l'environnement reste inchangé avant et après les ajustements. Considérons les effets de l'ajustement de l'eau et du méthane sur la température interne de la mousse.


Par exemple, si une formule augmente le méthane de 5 %, nous pouvons être certains que la température interne de la mousse diminue car la vaporisation du méthane absorbe la chaleur, réduisant ainsi l'apport de chaleur à la mousse et augmentant l'espace pour accueillir la chaleur. De même, si la teneur en eau est augmentée de 5 %, l'eau ajoutée libère de la chaleur lors de son injection dans la mousse, augmentant ainsi l'apport de chaleur, et la réaction de l'eau ajoutée génère du gaz, augmentant ainsi l'espace de chaleur. Alors, la température interne de la mousse augmente-t-elle ou diminue-t-elle dans ce cas ? L'expérience indique que la température interne de la mousse augmente. Cela suggère que l’augmentation de l’apport de chaleur due à ce changement contribue davantage à l’augmentation de la température interne de la mousse que le gaz produit par l’eau diluant la température.



Les changements impliquant l’indice de mousse, le dégagement de chaleur et la dissipation thermique, tous croissants, peuvent rendre difficile de deviner intuitivement si la température interne de la mousse va augmenter ou diminuer. Il faudra peut-être insérer une sonde après le moussage pour comparer les températures internes ou calculer pour parvenir à une conclusion.



Pour les calculs, plusieurs formules (expressions algébriques) dérivées des règles de base antérieures sont nécessaires, ainsi que quelques données : la chaleur dégagée lorsque l'eau réagit avec le TDI pour former du dioxyde de carbone en kilojoules par mole, la chaleur absorbée lors de la vaporisation du méthane en kilojoules par mole. . Pour estimer la température interne totale de la mousse, il faut connaître la chaleur dégagée lors de la formation du formiate d'aminométhyle, du formiate d'urée et de méthyle, de l'urée et du biuret (polyurée), en kilojoules par mole, ainsi que la vitesse de réaction (temps de réaction).



Cela explique également pourquoi la densité calculée à partir de l'indice de mousse diffère considérablement des valeurs théoriques et réelles des mousses sans charges à 50 densités. Plus la densité est faible, plus les valeurs théoriques et réelles de la densité de la mousse correspondent.