En décembre 2021, nous avons reçu une demande de M. Hairun en Malaisie. M. Hairun est un fabricant de matelas qui a besoin de produire de la mousse recollée. Il avait des connaissances limitées sur l’utilisation et la sélection des machines et n’avait aucune expérience préalable du processus de production. Il avait donc besoin des conseils d’experts qui pourraient l’aider à partir de la base.

Nous avons systématiquement expliqué les principes de production de mousse à M. Hairun, ainsi que le matériel et l'équipement nécessaires. Nous lui avons également fait visiter notre usine pour lui permettre de comprendre clairement l'ensemble du processus de production.

Après avoir compris M. Les préférences de Hairun pour la mousse recollée, notamment la densité, la douceur et les prix du marché, nous lui avons proposé la solution de production de mousse la plus adaptée. Nous lui avons également fourni des informations sur les coûts de production de mousse et comparé les prix des matières premières à titre de référence.

En fonction des besoins du client, de son budget et de l'aménagement de l'usine existante, nous avons conçu un plan de configuration et d'aménagement de machine rentable pour son installation, comprenant une évaluation des coûts de démarrage.

Une fois les machines installées avec succès, notre équipe d'ingénieurs a fourni à M. Hairun avec une formation individuelle en production de mousse. Lorsqu'il a réussi à produire la mousse qu'il désirait pour la première fois, il nous a appelé et nous a dit : « Je suis content de pleurer, merci beaucoup ! Par la suite, il nous a acheté une machine à mousse par lots et a continué à commander des matériaux chimiques en mousse auprès de notre société.

Pour de nombreuses petites entreprises, bien que la ligne de production continue de mousse flexible de polyuréthane offre un rendement élevé, les coûts sont également très élevés et le marché cible n'exige peut-être pas d'aussi grandes quantités. En conséquence, les lignes de production non continues de mousse flexible de polyuréthane sont devenues leur choix préféré. Ce qui suit est une introduction à la ligne de production non continue de mousse flexible de polyuréthane:

1. Équipement de processus de moussage de boîte

Le processus et l'équipement de moussage en boîte ont été développés en tant que nouvelle technologie pour répondre aux besoins des installations de production de mousse de polyuréthane à petite échelle. Il s’appuie sur des techniques de production de mousse manuelle et en laboratoire, essentiellement une version améliorée des méthodes de production de mousse en laboratoire. Ce processus est passé par trois étapes de développement. Initialement, tous les composants étaient pesés séquentiellement et ajoutés dans un récipient plus grand, suivi de l'ajout de TDI. Après un mélange rapide, le mélange a été immédiatement versé dans un grand moule en forme de boîte. Cette méthode nécessitait une forte intensité de travail, émettait de fortes concentrations de gaz toxiques et posait des risques importants pour la santé des opérateurs. De plus, les éclaboussures de matériaux lors du coulage entraîneraient une grande quantité d'air, conduisant à la formation de grosses bulles d'air dans la structure de la mousse et provoquant même des fissures dans la mousse. De plus, il y avait une quantité importante de déchets restants, ce qui entraînait un gaspillage de matériaux important et des coûts de production élevés. 

Plus tard, le processus a incorporé des pompes doseuses pour transporter les matériaux vers un baril de mélange avec un fond à ouverture automatique. Après un mélange à grande vitesse, la plaque inférieure du baril de mélange s'ouvrait et l'air comprimé expulsait rapidement le matériau dans le moule pour l'expansion de la mousse. Cependant, cette approche souffrait de structures de pores inégales en raison du flux rapide du matériau, entraînant des structures de mousse tourbillonnantes et des problèmes de qualité tels que des fissures en forme de croissant. La troisième étape de l'amélioration du processus est le dispositif de moussage en boîte qui est le plus souvent adopté aujourd'hui. Son principe fondamental de moussage est illustré en photo

(un)  Dosage et mélange de matières premières      (b) Moussage     (c) La mousse monte pour limiter la hauteur

1 - Baril de mélange de matériaux élévateur ; 2 - Moule de boîte assemblable ; 3 - Plaque supérieure de la boîte flottante ; 4 - Corps en mousse

Image 1 : Diagramme schématique du principe de moussage en boîte

L'équipement de production industrielle pour le moussage en caisses se compose principalement de réservoirs de matières premières, d'unités de pompe doseuse, de barils de mélange élévateurs et de moules de caisses en bois assemblables. Comme le montre le diagramme schématique de l'équipement de moussage en boîte fabriqué par Hennecke (image 2), les matières premières moussantes sont stockées dans des réservoirs et régulées par des dispositifs de contrôle pour atteindre la plage de température de traitement requise, généralement maintenue à 23°C ± 3°C. Séquentiellement, la pompe doseuse injecte des polyéther polyols, un catalyseur, des tensioactifs, des agents moussants, etc., dans le fût de mélange pendant une durée d'agitation de 30 à 60 minutes. Ensuite, selon la formulation, le TDI est introduit, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un récipient intermédiaire doté d'un interrupteur inférieur. Le mélange immédiat suit l'ajout de TDI. En fonction des matériaux et de la formulation, la vitesse d'agitation est généralement contrôlée entre 900 et 1 000 tours par minute (r/min), avec un temps d'agitation de 3 à 8 secondes. Après agitation, le fût de mélange est rapidement soulevé. La partie inférieure du fût n'a pas de fond et est placée sur la plaque inférieure de la boîte de moulage lors de l'abaissement, en utilisant une bague d'étanchéité au bord inférieur du fût pour empêcher les fuites de matériau.

Une fois soulevée, la bouillie bien mélangée peut être directement étalée et dispersée sur la plaque inférieure du moule, permettant une montée naturelle de la mousse. Pour éviter la formation d'une surface bombée sur la partie supérieure pendant le moussage, une plaque de moule supérieure qui correspond à la zone du moule et permet un mouvement limite vers le haut est équipée. La boîte à moule est principalement constituée de panneaux de bois rigides, la plaque inférieure étant fixée sur un chariot de transport de moule mobile. Les quatre panneaux latéraux sont assemblables et dotés de mécanismes de verrouillage à ouverture et fermeture rapides. Les côtés intérieurs des panneaux sont recouverts d'agents de démoulage à base de silicone ou doublés d'un film de polyéthylène pour empêcher l'adhérence. Après 8 à 10 minutes de maturation forcée au sein de la caisse, les panneaux latéraux de la caisse du moule sont ouverts, permettant le retrait de la mousse souple en forme de bloc. Après 24 heures supplémentaires de maturation, ces blocs de mousse peuvent subir une découpe et d'autres procédures de post-traitement.

1 - Réservoir de matières premières ; 2 - Unité de pompe doseuse ; 3 - Armoire de commande ; 4 - Baril de mélange avec dispositif élévateur ; 5 - Boîte moussante ; 6 - Produit fini en mousse ; 7 - Plaque flottante

Photo 2 : Équipement de moussage de boîtes fabriqué par Hennecke (BFM100/BFM150)

Le processus et l'équipement de moussage en boîte présentent des caractéristiques telles qu'un fonctionnement simple, une structure d'équipement compacte et simple, un faible investissement, un faible encombrement et une maintenance pratique. Ces caractéristiques le rendent particulièrement adapté aux petites entreprises engagées dans la production intermittente de blocs de mousse de faible densité. Cependant, ses inconvénients sont également évidents : efficacité de production moindre, environnement de production moins favorable, concentration élevée de gaz toxiques émis sur site, nécessitant l'utilisation de systèmes d'échappement et de purification des gaz toxiques très efficaces.

Pour améliorer l'efficacité du mélange, certaines entreprises ont ajouté plusieurs déflecteurs verticaux et équidistants aux parois intérieures du fût de mélange. Ces déflecteurs, combinés à des agitateurs en spirale à grande vitesse, facilitent un mélange à grande vitesse. Cette approche peut, dans une certaine mesure, réduire les effets d'écoulement laminaire dans le liquide de mélange et améliorer l'efficacité du mélange. Un exemple de ceci est notre produit, le SAB-BF3302. Pour l'apparence et les spécifications techniques du produit, veuillez vous référer à l'image 3.

Image 3 : Machine à mousser les boîtes entièrement automatique (Sabtech Technology Limited)

Cette ligne de production est dotée de modes de contrôle informatique entièrement automatique et de contrôle manuel. Il convient à la production de mousse de polyuréthane flexible avec des densités allant de 10 à 60 kg/cm. Débit de mousse maximum : 180L. Hauteur de la mousse : 1200 mm. Puissance de mélange : 7,5 kW. Puissance totale : 35 kW.

2. Équipement pour la préparation de mousse à cellules ouvertes

La mousse de polyuréthane à cellules ouvertes est un produit en mousse fonctionnelle développé dans les années 1980. Il possède une porosité élevée, une structure de réseau distincte, une douceur, une respirabilité et une bonne résistance mécanique. Il trouve une large application en tant qu'excellent matériau de filtration et d'absorption des chocs dans les transports, l'instrumentation, les membranes de filtration de matériaux médicaux et comme support de catalyseur dans l'industrie chimique. Le remplir dans les réservoirs de carburant des avions peut supprimer l’agitation du pétrole et réduire le risque d’explosion. Son imprégnation avec une boue céramique et son frittage à haute température aboutissent à un nouveau matériau filtrant en céramique à cellules ouvertes utilisé dans l'industrie métallurgique.

La préparation de la mousse de polyuréthane à cellules ouvertes implique des méthodes telles que l'hydrolyse à la vapeur, le trempage alcalin et l'explosion. Dans la production industrielle, la méthode d'explosion est principalement utilisée. Initialement, une mousse de polyuréthane d'une taille de pores spécifique est préparée à l'aide du procédé de moussage en boîte. Par la suite, il est placé dans un équipement de réseau d'explosion dédié, rempli de gaz explosif, et enflammé après avoir complètement rempli le corps en mousse. En utilisant l'énergie d'impact et la chaleur à haute température générées par les paramètres d'explosion, les parois cellulaires de la mousse de polyuréthane sont rompues et fusionnées sur les parois cellulaires, formant une structure de réseau distincte, comme le montre l'image 4.

Image 4 : Mousse à cellules ouvertes clairement connectée

Des méthodes telles que l’hydrolyse à la vapeur ou le trempage alcalin sont utilisées pour préparer la mousse à cellules ouvertes. Cependant, ces méthodes posent des problèmes de faible efficacité, de mauvaise qualité et de pollution environnementale. Ils sont principalement utilisés pour la production à petite échelle, comme les tests d’échantillons en laboratoire. La production à grande échelle utilise principalement la méthode de l'explosion.

ATL Schubs GmbH, une société allemande, est spécialisée dans la recherche et le développement de mousse polyuréthane réticulée et fabrique les machines d'explosion de mousse ReticulatusTM. La chambre d'explosion de l'équipement d'explosion à mousse réticulée se présente sous deux formes : cylindrique et rectangulaire. Le premier convient à la mousse cylindrique, tandis que le second est plus polyvalent. Il peut être utilisé non seulement pour la mousse carrée mais également pour le traitement de la mousse réticulée à partir de la mousse cylindrique, comme le montre l'image 5. La chambre d'explosion est construite à partir de plaques d'acier de haute qualité de 100 mm d'épaisseur. Le fonctionnement est contrôlé par un modem informatique, offrant des fonctionnalités telles que l'ouverture et la fermeture automatiques, le verrouillage automatique, le fonctionnement automatique et les alertes automatiques. De plus, la conception et la modification de programmes à distance peuvent être facilitées grâce à des capteurs de transmission de données.

Photo 5 : Équipement de traitement de réticulation de mousse de polyuréthane (ATL Schubs)

Lors de la production, des corps en mousse de 3 à 6 mètres de long destinés à la réticulation sont poussés dans la chambre d'explosion. La porte de la chambre est fermée hydrauliquement et l'air à l'intérieur de la chambre est évacué à l'aide d'une pompe à vide. Sous contrôle informatique, une proportion précise d'oxygène et d'hydrogène gazeux est introduite et le rapport du mélange gazeux est ajusté mécaniquement en fonction de facteurs tels que le type d'échantillon de mousse et les exigences de taille du réseau. 

Des capteurs surveillent en permanence le processus, garantissant que tous les paramètres du processus sont dans les conditions spécifiées avant le lancement d'une détonation contrôlée. La force explosive et l'intensité de la flamme générées par l'explosion pénètrent à travers tout le corps en mousse, créant une structure de réseau distincte. Après le formage, le corps en mousse est refroidi, les matières résiduelles et les gaz résiduaires sont purgés à l'aide d'azote, et la chambre de pression peut ensuite être ouverte pour récupérer la mousse réticulée. L'ensemble du processus prend environ 8 à 10 minutes. Le diamètre des pores de la mousse réticulée se situe entre 10 et 100 pores par pouce (ppi) (Remarque : ppi fait référence au nombre de pores dans un pouce).

Ce qui précède donne un aperçu du processus de production non continu de la mousse flexible de polyuréthane. J'espère que ces informations vous seront utiles.

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.

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.

Comprendre les principes derrière les réactions de mousse est crucial. Pour maîtriser le moussage, nous devons nous efforcer d’établir dans notre esprit un modèle de réaction de mousse en utilisant les quatre équations de réaction suivantes. Grâce à la familiarité avec les variations au sein du modèle, nous cultivons une sensibilité qui nous permet de comprendre l’ensemble du processus de réaction de la mousse. Cette approche permet de structurer notre base de connaissances et nos compétences professionnelles en mousse polyuréthane. Qu'il s'agisse d'étudier activement les principes de réaction de la mousse ou de les explorer passivement pendant le processus de moussage, cela constitue pour nous un moyen essentiel d'approfondir notre compréhension des formulations et d'améliorer nos compétences.

Réaction 1

TDI + Polyéther → Uréthane

Réaction 2

TDI + Uréthane → Isocyanurate

Réaction 3

TDI + Eau → Urée + Dioxyde de Carbone

Réaction 4

TDI + Urée → Biuret (Polyurée)

01 : Les réactions 1 et 2 sont des réactions de croissance en chaîne, formant la chaîne principale de la mousse. Avant que la mousse n’atteigne les deux tiers de sa hauteur maximale, la chaîne principale s’allonge rapidement, les réactions de croissance en chaîne prédominant à l’intérieur de la mousse. A ce stade, en raison des températures internes relativement basses, les réactions 3 et 4 ne sont pas importantes.

02 : Les réactions 3 et 4 sont des réactions de réticulation, formant les branches de la mousse. Une fois que la mousse atteint les deux tiers de sa hauteur maximale, la température interne augmente et les réactions 3 et 4 s'intensifient rapidement. Durant cette étape, les réactions 1 à 4 sont vigoureuses, marquant une période critique pour la formation des propriétés moussantes. Les réactions 3 et 4 assurent la stabilité et le soutien du système de mousse. La réaction 1 contribue à l’élasticité de la mousse, tandis que les réactions 3 et 4 contribuent à la résistance à la traction et à la dureté de la mousse.

03 : Les réactions produisant du gaz sont appelées réactions moussantes. La génération de dioxyde de carbone est une réaction de moussage et la principale réaction exothermique de la mousse de polyuréthane. Dans les systèmes réactionnels contenant du méthane, la vaporisation du méthane constitue une réaction de moussage et un processus endothermique.

04 : Les réactions conduisant à la formation de constituants de mousse sont appelées réactions de gélification et englobent toutes les réactions à l'exception des réactions produisant des gaz. Cela inclut la formation d'uréthane, d'urée, d'isocyanurate et de biuret (polyurée) à partir des réactions 1 à 4.