Explicando a estabilidade da espuma de poliuretano

Durante o processo de formação de espuma da espuma de poliuretano, as bolhas iniciais formadas são muito semelhantes às formadas num sistema de solução de sabão. Esta semelhança não se estende aos estágios posteriores de formação de bolhas devido ao rápido aumento na viscosidade e elasticidade da fase líquida à medida que a reação de polimerização prossegue, diferindo significativamente das bolhas em um sistema de solução de sabão. Pesquisas sobre o mecanismo de bolha em sistemas de espuma aquosa sugerem que para obter poros finos, uma certa quantidade de energia livre deve ser adicionada ao sistema quando um certo volume de gás é disperso em um certo volume de líquido para formar bolhas. A relação é dada por:

△F=ra

Onde:

△F = energia livre;

r = tensão superficial;

A = área total da interface da bolha.

A partir desta relação, pode-se perceber que sem energia suficiente, o sistema de espuma líquida tende a reduzir a área de interface, levando à coalescência ou ruptura de bolhas. Medidas como a rápida solidificação da espuma antes da coalescência ou ruptura, ou a adição de óleo de silicone para reduzir a tensão superficial, podem ajudar a alcançar uma maior área de interface da bolha A sob as mesmas condições de energia (δF), auxiliando na produção de bolhas mais finas.

Após a formação de espuma e antes da solidificação, a forma das células de espuma normalmente muda ao longo do tempo devido à difusão gradual do gás dissolvido na fase líquida nas bolhas e à difusão mútua do gás entre as bolhas, causando coalescência. Geralmente, a pressão interna do gás nas células esféricas é superior à pressão do líquido circundante, dada pela relação:

△P=2r/R

Onde:

R = raio da bolha;

r = tensão superficial.

Normalmente, a pressão do gás em bolhas menores é maior do que em bolhas maiores. A diferença de pressão interna entre bolhas de raios diferentes é:

△ P ² = 2r[(1/R ₁ )-(1/R ₂ )

Esta diferença de pressão faz com que o gás das bolhas menores se difunda gradualmente em bolhas maiores, levando ao desaparecimento de bolhas menores e ao crescimento de bolhas maiores ao longo do tempo. A redução da tensão superficial ajuda a diminuir a diferença de pressão entre bolhas de tamanhos diferentes, contribuindo para a estabilidade da bolha e para o tamanho uniforme dos poros.

Prevenir a ruptura celular antes da solidificação do polímero é crucial para a produção de espuma. No estado líquido, isso pode ser considerado através dos seguintes conceitos:

Independentemente da tensão superficial do líquido, a espuma estável não pode ser obtida apenas a partir de qualquer líquido puro. Para obter uma espuma relativamente estável, duas condições devem ser atendidas: o sistema deve ter pelo menos dois componentes, e estes componentes devem preferencialmente ser adsorvidos na superfície da bolha. A tensão superficial é determinada pelo tipo e quantidade de solutos adsorvidos (princípio de Gibbs):

dr=-&soma;&Gama;dμ

Onde:

μ = potencial químico do componente;

&Gama; = excesso superficial do componente.

Com uma quantidade limitada de soluto, o aumento da área superficial reduz

Γ, aumentando assim o tensor superficial, o que dificulta maior expansão superficial. Essa relação evita o adelgaçamento da membrana celular, contribuindo para a estabilidade das bolhas.

A temperatura também afeta a estabilidade da bolha; temperaturas mais altas reduzem a tensão superficial, promovendo o adelgaçamento da membrana celular e a ruptura das bolhas. A drenagem capilar dentro das paredes das bolhas é outro fator que afeta a estabilidade. Uma seção transversal ampliada da parede da bolha pode ser vista no diagrama abaixo. No diagrama podemos ver que a ação capilar causa drenagem do ponto 3 para os pontos 1 e 2, afinando a parede da bolha.

Efeito de drenagem capilar na fase inicial da formação de espuma

Devido à baixa energia de ativação para a ruptura da espuma, uma vez iniciada a ruptura celular, ela frequentemente acelera, levando ao colapso da espuma. O efeito elétrico de dupla camada tem pouco impacto neste processo. Se as cargas se acumularem em ambos os lados da membrana da bolha, elas se repelem, limitando o adelgaçamento da membrana. Este efeito é menos significativo em meios orgânicos com baixas constantes dielétricas do que em sistemas aquosos. As forças de Van der Waals também neutralizam o afinamento da membrana, à medida que a atração entre as superfícies aumenta à medida que a membrana afina.

Em resumo, os fatores que impedem o adelgaçamento da membrana e a estabilização da espuma incluem:

1  Aumentando a área superficial, aumentando assim a energia livre;

2  Reduzir o excesso superficial para aumentar a tensão superficial;

3  Aumentando a viscosidade do material;

4  Impacto mínimo do efeito elétrico de dupla camada no afinamento da membrana.

Por outro lado, os fatores que causam o adelgaçamento da membrana e a ruptura da bolha incluem:

1  Drenagem capilar;

2  Drenagem induzida pela gravidade;

3  Qualquer fator que reduza a tensão superficial, como pontos quentes ou antiespumantes;

4  Forças de Van der Waals entre superfícies de membrana.

Medidas comuns para a produção de espuma de poliuretano incluem:

1  Adição de surfactantes para reduzir a tensão superficial, auxiliando na produção de microbolhas uniformes (△F = r△A), estabilizando bolhas e reduzindo a difusão de gases ( △ P = 2r[(1/R ₁ - 1/ R ₂ ) ]) ;

2  Aumentar rapidamente a viscosidade do material para reduzir o afinamento da membrana, estabilizando as bolhas;

3  Aumentando a resistência das junções de membrana e bolha;

4  Reduzindo impurezas para evitar a redução local da tensão superficial e o colapso local da espuma, criando vazios.