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.

Dans la production industrielle moderne, la mousse flexible de polyuréthane joue un rôle important dans divers domaines tels que les meubles, les sièges automobiles et les semelles intérieures de chaussures. Cependant, les points de contrôle techniques clés pour la production de produits en mousse plastique flexible de polyuréthane de haute qualité ne peuvent être négligés. Voici plusieurs points techniques clés du processus de production:



Contrôle du diisocyanate de toluène (TDI):


Le rapport isomérique optimal du TDI est de 80/20. Si ce rapport est dépassé, cela peut conduire à la formation de cellules volumineuses et fermées dans la mousse, prolongeant ainsi le temps de durcissement. En particulier dans la production de produits en mousse de faible densité en gros blocs, un rapport isomérique excessif peut retarder le dégagement de chaleur, ce qui peut entraîner un maintien élevé de la température centrale de la mousse pendant une longue période, conduisant à une carbonisation, voire à une inflammation. Si le rapport isomérique est trop faible, la densité et la résilience du produit en mousse diminueront et de fines fissures peuvent apparaître sur la surface de la mousse, entraînant une mauvaise répétabilité du processus.



Ajout d'agents gonflants externes:


Les agents gonflants externes (eau) réduisent non seulement la densité de la mousse mais améliorent également la douceur du produit et aident à éliminer la chaleur de réaction. Pour éviter la carbonisation centrale lors du processus de moussage des produits en mousse à gros blocs, une certaine quantité d'eau est généralement ajoutée. Cependant, à mesure que la quantité d'eau augmente, la quantité de catalyseur devrait également augmenter en conséquence ; sinon, cela pourrait prolonger le temps de post-durcissement de la mousse. Généralement, pour chaque augmentation de 5 parties d’eau, 0,2 à 0,5 partie d’huile de silicone doivent être ajoutées.



Rapport catalyseur:


Les catalyseurs organiques à base d'étain et d'amine tertiaire sont couramment utilisés pour contrôler les réactions NCO-OH et NCO-H2O. En ajustant le rapport des différents catalyseurs, la croissance des chaînes polymères et la réaction de moussage peuvent être contrôlées. Sous certaines densités de produit, le choix du rapport de catalyseur approprié peut contrôler le taux de cellules ouvertes, la taille des cellules et la valeur de charge vide de la mousse. L'augmentation de la quantité de catalyseur organique à l'étain peut généralement produire des mousses avec des cellules de plus petite taille, mais une utilisation excessive peut augmenter le taux de cellules fermées. Il est nécessaire de déterminer le dosage optimal du catalyseur par des expériences pour obtenir les meilleures performances des produits en mousse.



Stabilisateurs de mousse:


Le rôle des stabilisants de mousse est de réduire la tension superficielle du matériau, rendant la paroi du film de mousse élastique et empêchant la rupture de la paroi de mousse jusqu'à ce que la croissance de la chaîne moléculaire et les réactions de réticulation conduisent à la solidification du matériau. Par conséquent, les stabilisants de mousse jouent un rôle essentiel dans la production d’éponges polyéther en une étape et leur utilisation doit être strictement contrôlée.



Contrôle de la température:


La réaction de génération de mousse est très sensible à la température, et les changements de température du matériau et du moussage affecteront les opérations de moussage et les propriétés physiques. Par conséquent, le contrôle de la température est l’une des conditions importantes pour garantir des processus de moussage stables. La température du matériau est généralement contrôlée à 20-25
°
C.



Vitesse et temps d'agitation:


La vitesse et la durée d’agitation affectent la quantité d’énergie apportée pendant le processus de moussage. Si l'agitation est inégale, un grand nombre de bulles peuvent apparaître à la surface de la mousse, entraînant des défauts tels que des fissures. Pendant le mélange du composant A, la vitesse est de 1 000 tr/min ; une fois le composant B ajouté au composant A, la vitesse d'agitation à grande vitesse est de 2 800 à 3 500 tr/min pendant 5 à 8 secondes.



En résumé, les technologies clés pour la production de mousse de polyuréthane flexible comprennent le contrôle du TDI, l'ajout d'agents gonflants externes, l'ajustement des ratios de catalyseur, l'utilisation de stabilisants de mousse, le contrôle de la température et le contrôle de la vitesse et du temps d'agitation. Un contrôle approprié de ces paramètres techniques peut garantir la production de produits en mousse plastique flexible polyuréthane de qualité stable et de haute performance.

La mousse plastique souple polyuréthane est l’un des produits importants de l’industrie du polyuréthane. Sa production implique nécessairement l'utilisation de catalyseurs aminés organiques, notamment de catalyseurs aminés organiques tertiaires. En effet, les catalyseurs d'amines tertiaires organiques jouent un rôle important dans les principales réactions de formation de la mousse de polyuréthane : les réactions de dioxyde de carbone et de polymérisation moléculaire, favorisant l'expansion rapide des mélanges réactionnels, l'augmentation de la viscosité et la forte augmentation du poids moléculaire du polymère. Ces conditions sont essentielles à la formation de corps en mousse, garantissant que les mousses plastiques souples présentent des avantages tels qu'une faible densité, un rapport résistance/poids élevé, une résilience élevée et un confort d'assise et de couchage. Il existe de nombreux types de catalyseurs aminés organiques qui peuvent être utilisés pour les plastiques en mousse souple de polyuréthane. Parmi eux, les catalyseurs très efficaces reconnus par différents fabricants sont : la triéthylène diamine (TDEA) et le bis(diméthylaminoéthyl)éther (appelé A1). Ce sont également les catalyseurs à base d’amines organiques les plus utilisés dans le monde aujourd’hui, avec la consommation la plus élevée parmi les différents catalyseurs.



En raison des différences structurelles moléculaires entre les catalyseurs TDEA et A1, il existe des différences significatives dans leurs performances catalytiques, en particulier dans leurs réactions au dioxyde de carbone et à la polymérisation moléculaire. Si l’utilisateur ne prête pas attention à ces différences de production, non seulement il ne parviendra pas à fabriquer des produits en mousse qualifiés, mais il sera également difficile pour les corps en mousse de se former. Par conséquent, comprendre et maîtriser les différences de performances entre ces deux catalyseurs dans la production de mousse de polyuréthane revêt une grande importance. Le TDEA existe à l’état solide dans des conditions normales, ce qui rend son application moins pratique. Dans la production réelle, des composés alcooliques de faible poids moléculaire sont couramment utilisés comme solvants, formulés en solutions à 33 % pour faciliter leur utilisation, communément appelées A33. En revanche, A1 est un liquide de faible viscosité pouvant être appliqué directement. Vous trouverez ci-dessous une comparaison des différences de performances catalytiques entre A1 et A33 dans la production de mousses plastiques souples en polyuréthane.



L'A33 a une fonction catalytique de 60 % pour la réaction avec le dioxyde de carbone et une fonction catalytique de 40 % pour la polymérisation moléculaire. Il a un faible taux d'utilisation efficace du dioxyde de carbone, ce qui entraîne une hauteur de mousse plus faible et une densité de mousse plus élevée. Étant donné que la majeure partie de la fonction catalytique est utilisée pour les réactions de polymérisation moléculaire, il est facile de produire des corps en mousse à cellules fermées, rigides avec un faible rebond, et la gamme réglable de catalyseurs à l'étain devient plus étroite. Pour obtenir la même fonction catalytique, la quantité utilisée est 33 % supérieure à celle de A1. La peau inférieure et la peau extérieure du corps en mousse sont plus épaisses. L'augmentation de la quantité peut augmenter la vitesse de réaction, mais la quantité de catalyseur à l'étain doit être réduite en conséquence, sinon des corps en mousse à cellules fermées seront produits.



A1 a une fonction catalytique de 80 % pour la réaction avec le dioxyde de carbone gazeux et une fonction catalytique de 20 % pour la polymérisation moléculaire. Il a un taux d'utilisation efficace élevé du dioxyde de carbone, ce qui entraîne une hauteur de mousse plus élevée et une densité de mousse plus faible. Étant donné que la majeure partie de la fonction catalytique est utilisée pour les réactions de génération de gaz, il est facile de produire des corps en mousse à cellules ouvertes, souples avec un rebond élevé, et la gamme réglable de catalyseurs à l'étain s'élargit. Pour obtenir la même fonction catalytique, la quantité utilisée est inférieure à A33. La peau inférieure et la peau extérieure du corps en mousse sont plus fines. L'augmentation de la quantité peut augmenter la vitesse de réaction, mais la quantité de catalyseur à l'étain doit être augmentée en conséquence, sinon une formation excessive de mousse et des fissures peuvent se produire.



En termes de performances globales entre TDEA et A1, A1 a des performances catalytiques globales plus élevées que la triéthylène diamine. Ses effets d'application réels sont également meilleurs, bien qu'ils ne soient pas aussi pratiques que la triéthylène diamine en termes de transport et de stockage. Actuellement, la grande majorité des installations de production mécanique de mousse continue utilisent presque exclusivement du A1, tandis que toutes les installations de production de mousse de type caisson utilisent du TDEA. Toutefois, cela n’est pas absolu. Avec une compréhension claire des différences entre les deux et des ajustements de formulation appropriés, ils peuvent être interchangeables et les deux peuvent produire d’excellents produits en mousse.

Les tensioactifs utilisés pour la stabilisation de la mousse, également appelés stabilisants de mousse, sont un additif crucial dans la production de mousses plastiques polyuréthane. Lors de la sélection des tensioactifs, quels facteurs doivent être pris en compte ?



Les tensioactifs peuvent être divisés en deux types : les tensioactifs à mousse souple et les tensioactifs à mousse dure. Examinons chacun:



Tensioactifs en mousse souple:


Au cours de la phase initiale de moussage, les tensioactifs en mousse souple peuvent se dissoudre pour former de la polyurée et, dans les étapes ultérieures, ils peuvent contribuer à l'ouverture et à l'éclatement des cellules. Par conséquent, lors de la sélection de tensioactifs en mousse souple, les facteurs suivants doivent être pris en compte:



1
L'activité du tensioactif ;


2
La relation entre la plage de fonctionnement du tensioactif et la plage de dosage requise ;


3
L'impact des différents composants du tensioactif sur la plage de fonctionnement.



Tensioactifs à mousse dure:


Les tensioactifs en mousse dure ont un degré de réticulation plus élevé, ce qui rend les bulles plus stables. Ils sont couramment utilisés pour les produits moulés ou le moussage dans des cavités restreintes. Lors de la sélection des tensioactifs à mousse dure, les facteurs suivants doivent être pris en compte:



1
Forte capacité d'émulsification des composants des matières premières ;


2
Capacité à contrôler efficacement la taille des cellules de la mousse ;


3
Capacité à améliorer la fluidité du matériau et à assurer une distribution uniforme de la densité.



Les tensioactifs jouent non seulement un rôle dans la stabilisation de la mousse, mais affectent également sa densité, son élasticité, sa résistance à la traction et d'autres propriétés. Par conséquent, lors du choix des tensioactifs, des facteurs tels que l’activité des matières premières, les conditions opératoires et le processus de moussage doivent être pris en compte.

Qu’est-ce que la mousse rigide de polyuréthane ?



La mousse rigide de polyuréthane, souvent abrégée en mousse rigide PU, est l'un des produits en polyuréthane les plus couramment utilisés, juste derrière la mousse souple en polyuréthane, dans les applications en polyuréthane. La mousse rigide de polyuréthane est principalement une structure à cellules fermées, connue pour son excellente isolation, sa légèreté, son rapport résistance/poids élevé, sa facilité de construction, ainsi que son insonorisation, son absorption des chocs, son isolation électrique, sa résistance à la chaleur, sa résistance au froid et sa résistance aux solvants. , et plus. Il est largement utilisé dans les couches isolantes des réfrigérateurs et des congélateurs, des chambres froides, des camions frigorifiques, ainsi que dans les matériaux isolants des bâtiments, des réservoirs et des canalisations. Une petite quantité est utilisée dans des applications non isolantes telles que l'imitation du bois et les matériaux d'emballage. Généralement, la mousse rigide de polyuréthane de faible densité est principalement utilisée comme matériau d'isolation thermique, tandis que la mousse rigide de polyuréthane de densité plus élevée peut être utilisée comme matériau de structure (imitation bois).



La mousse rigide de polyuréthane est généralement moussée à température ambiante, avec un processus de moulage relativement simple. Il peut être classé en moussage manuel et moussage mécanique en fonction du degré de mécanisation de la construction ; un moussage à haute pression et un moussage à basse pression en fonction de la pression de moussage ; et un moussage par coulée et un moussage par pulvérisation sur la base du procédé de moulage.



Qu'est-ce que la mousse souple de polyuréthane ?



La mousse souple de polyuréthane, également connue sous le nom de mousse souple PU, est un type de mousse de polyuréthane flexible présentant un certain degré d'élasticité. Il s’agit du produit en polyuréthane le plus utilisé parmi tous les produits en polyuréthane.



La mousse souple de polyuréthane est principalement une structure à cellules ouvertes, caractérisée par une faible densité, une bonne récupération élastique, une absorption acoustique, une respirabilité et des propriétés isolantes. Il est principalement utilisé comme matériau de rembourrage pour les meubles, les matelas, les coussins de siège de véhicule, et trouve également des applications industrielles et domestiques comme matériaux filtrants, matériaux d'insonorisation, matériaux d'absorption des chocs, matériaux décoratifs, matériaux d'emballage et matériaux isolants. En fonction du degré de douceur et de la capacité de charge, la mousse souple de polyuréthane peut être divisée en mousse souple ordinaire, mousse super douce, mousse souple à haute portance, mousse souple à haute résilience, etc. Les mousses souples à haute résilience et à haute portance sont généralement utilisées pour la fabrication de coussins de siège et de matelas. Selon le processus de production, la mousse souple de polyuréthane peut être divisée en mousse en bloc et en mousse moulée. La mousse en bloc est produite par un processus continu pour former une mousse de grand volume qui est ensuite découpée dans les formes requises, tandis que la mousse moulée est produite par injection directe du mélange dans des moules pour former des produits en mousse de formes souhaitées.



Après avoir compris la mousse polyuréthane rigide et la mousse polyuréthane souple, la question se pose : comment différencier les deux ?



En fait, la classification peut être basée sur le degré de dureté, en les divisant en plastiques en mousse souple et en plastiques durs. Les mousses plastiques souples ont un composant polymère matriciel au-dessus du point de fusion cristalline ou, s'il s'agit d'un polymère amorphe, il est au-dessus de la température de transition vitreuse ; la mousse dure, en revanche, a sa matrice polymère dans un état cristallin ou un état amorphe mais en dessous de la température de transition vitreuse. La mousse semi-rigide est une mousse plastique entre la mousse souple et la mousse dure. Elle est similaire à la mousse souple, avec un taux de cellules ouvertes supérieur 90

℃

, mais la mousse semi-rigide a une densité et une résistance à la compression plus élevées. Après déformation par compression, la mousse semi-rigide met beaucoup plus de temps à récupérer et sa densité de réticulation est bien supérieure à celle de la mousse souple mais inférieure à celle de la mousse dure.



Sur la base de cette classification de douceur et de dureté, la plupart des mousses de polyoléfine, des mousses de polychlorure de vinyle (PVC) non plastifiées, des mousses phénoliques, des mousses de polycarbonate et des mousses d'éther de polyphénylène sont toutes classées comme mousses dures, tandis que les mousses de polyuréthane élastiques et certaines mousses de polyoléfine et mousses de PVC plastifié sont classées comme mousses souples.



Selon la norme nationale, les plastiques en mousse souple sont ceux qui sont flexibles, ont une faible dureté en compression, reviennent à leur état d'origine une fois la contrainte relâchée et présentent une déformation résiduelle minimale. D'un autre côté, les mousses plastiques dures sont rigides, ont une dureté élevée en compression, se déforment lorsque la contrainte atteint un certain niveau et ne reviennent pas à leur état d'origine une fois la contrainte relâchée.



L'American Society for Testing and Materials (ASTM) précise que pour différencier les mousses plastiques souples et dures, à une température de 18-29

℃

, une tige d'un diamètre de 2,5 cm tourne autour d'elle pendant un tour complet en 5 secondes. S'il ne se fracture pas, il est classé comme mousse plastique souple ; sinon, il est classé comme plastique en mousse dure.



Selon les normes ISO, lorsque la déformation en compression atteint 50 % puis est relâchée, si l'épaisseur ne diminue pas de plus de 2 % par rapport à l'épaisseur d'origine, elle est classée comme mousse plastique souple. S'il diminue de plus de 10 %, il est classé comme mousse plastique dure. Si la diminution est comprise entre 2 et 10 %, elle est classée comme mousse plastique semi-rigide.



Si l'on utilise le module élastique comme critère, dans un environnement standard de 23

℃

et 50 % d'humidité relative, une mousse plastique ayant un module élastique supérieur à 686 MPa est classée comme mousse dure, inférieure à 68,6 MPa est classée comme mousse souple et entre 68,6 et 686 MPa est classée comme mousse semi-rigide. Bien que le module élastique de la mousse semi-rigide soit supérieur à celui de la mousse souple, son comportement contrainte-déformation est plus proche de celui de la mousse souple et significativement différent de celui de la mousse dure. En général, les mousses plastiques souples ont pour la plupart une structure à cellules ouvertes, tandis que les mousses plastiques dures ont principalement une structure à cellules fermées, mais il existe des exceptions.