Cálculo da formulação de espuma flexível de PU: por que a mesma fórmula apresenta desempenhos diferentes na produção?

Por que a mesma fórmula pode produzir resultados diferentes na linha de produção?

A mesma fórmula de espuma de poliuretano pode funcionar de forma estável em uma fábrica, mas causar variações de densidade, encolhimento, rachaduras na superfície ou cura lenta assim que for utilizada em outra linha de produção. A diferença geralmente não está na fórmula em si, mas sim na adequação do cálculo da formulação às condições reais de produção.

O nível de água, a dosagem de TDI/MDI, o índice de isocianato, o surfactante de silicone e os catalisadores em uma formulação de espuma flexível de PU não são números isolados. Eles são afetados pela densidade desejada, pelos parâmetros da matéria-prima, pelo processo de sopro, pela precisão da dosagem, pelas condições de mistura e pela temperatura ambiente.

Compreender o cálculo da formulação ajuda a determinar se uma fórmula base pode ser testada em laboratório, se pode ser ampliada para uma linha de produção contínua de espuma e quais parâmetros precisam ser verificados novamente após o início da produção.

Por que o cálculo da formulação deve começar com a densidade alvo?

A densidade alvo geralmente é definida primeiro. O nível da água, o agente expansor físico, a dosagem de isocianato, a estrutura celular, a dureza e o custo precisam ser avaliados em função dessa meta.

Espumas de baixa densidade geralmente requerem um volume de insuflação maior. Com o aumento do volume de insuflação, os riscos relacionados à liberação de calor, à estabilidade celular, à cura e às propriedades físicas também se alteram. Reduzir a densidade apenas aumentando o volume de água pode elevar a temperatura do núcleo, piorar a deformação permanente por compressão, enfraquecer a estrutura ou aumentar o risco de retração.

Espumas de alta densidade ou com alto suporte também exigem uma reavaliação do processo de insuflação. À medida que a densidade aumenta, a dureza, a resiliência, o toque, a estrutura de células abertas e o desempenho de corte podem ser afetados. A densidade desejada orienta o cálculo, enquanto os requisitos de aplicação e desempenho do produto determinam se essa orientação é adequada para a produção em larga escala.

Em um projeto real, a densidade desejada deve ser confirmada em conjunto com a aplicação do produto, a dureza desejada, os requisitos de resiliência, os requisitos de fluxo de ar, a deformação permanente por compressão, o método de produção, as condições do equipamento e o limite de custo. A densidade é o ponto de partida, mas o sucesso da formulação ainda depende da compatibilidade entre os objetivos do produto e as condições de produção.

O que significa "partes" em uma fórmula de espuma?

Em uma fórmula de espuma flexível, o termo "partes" geralmente se refere às partes em peso. Uma abordagem comum é usar o sistema de poliol total como 100 partes e, em seguida, expressar as quantidades de água, surfactante de silicone, catalisadores, agente de expansão, carga e isocianato com base nessa referência.

Se forem utilizados PPG e POP, é necessário confirmar se a soma deles resulta em 100 partes. Por exemplo, 80 partes de PPG e 20 partes de POP significam que o sistema de poliol totaliza 100 partes. As quantidades de água, surfactante de silicone, catalisadores e agente de expansão são geralmente expressas em relação a essa base.

"Partes" representa uma proporção, não um peso de carregamento fixo. Essa mesma proporção pode ser convertida em um teste de laboratório de 100 g, um lote base de 100 kg ou ainda na taxa de fluxo por tempo necessária para uma linha de espumação contínua.

Na gestão da produção, as fórmulas dos componentes devem eventualmente ser convertidas em taxas de fluxo que o equipamento possa executar. Uma linha de espumação contínua não opera com base nas "partes" descritas no papel, mas sim na taxa de fluxo de massa estável de cada componente por unidade de tempo.

Por que a dosagem de TDI/MDI precisa ser recalculada?

A dosagem de TDI ou MDI não pode ser determinada apenas pela experiência. A dosagem de isocianato é calculada a partir da demanda equivalente de componentes de hidrogênio ativo no sistema, sendo então ajustada pelo índice de isocianato desejado.

O índice de hidroxila determina a demanda de isocianato pelo poliol.

O índice de hidroxila reflete o teor de hidroxila por unidade de massa do poliol. Quanto maior o índice de hidroxila, maior a quantidade de equivalentes de hidroxila geralmente presentes por unidade de massa e maior a demanda teórica de isocianato.

Diferentes polióis de poliéter, POP e poliéster possuem diferentes índices de hidroxila. Uma fórmula não deve ser copiada apenas com base nos nomes das matérias-primas. Quando vários polióis são usados ​​em conjunto, o equivalente total de hidroxila deve ser calculado com base no índice de hidroxila e na dosagem de cada material.

Após a troca de um poliol, mesmo que as proporções totais permaneçam inalteradas, a demanda teórica de TDI/MDI pode mudar. Se não for recalculada, a produção pode apresentar variações na dureza, alterações na estrutura celular, anormalidades na cura ou instabilidade do lote.

A água é usada em pequenas quantidades, mas consome NCO de forma significativa.

A água é um agente expansor químico. Ela reage com o isocianato para gerar CO₂, ajudando a espuma a formar sua estrutura celular, enquanto também consome NCO.

Embora a água seja geralmente usada em apenas algumas partes nas formulações de espuma flexível, ela tem um impacto claro na demanda de isocianato. Por exemplo, quando a quantidade de água aumenta de 3 para 4 partes, a mudança não se limita ao volume de expansão; a demanda teórica de TDI ou MDI também se altera.

A água também aumenta a liberação de calor do sistema. Em espumas de baixa densidade, sistemas com alto teor de água, produção de blocos grandes e ambientes de alta temperatura, isso afeta diretamente a formação de bolhas, o núcleo vermelho, a cura e a estabilidade dimensional.

O teor de NCO determina a quantidade real de isocianato a ser adicionada.

O teor de NCO na matéria-prima de isocianato afeta a quantidade real de carga. TDI, MDI, MDI polimérico, MDI modificado e pré-polímeros não podem ser calculados usando a mesma proporção.

Para a mesma quantidade de NCO necessária, um teor de NCO mais elevado geralmente significa uma menor massa de carga teórica; um teor de NCO mais baixo requer uma massa de carga mais elevada. Ao alterar o tipo de isocianato, a dosagem deve ser recalculada de acordo com o teor de NCO.

Isso é especialmente importante em MDI polimérico, MDI modificado, espuma de embalagem especial ou sistemas de espuma de alta resiliência. O cálculo real deve ser baseado no teor de NCO da matéria-prima e na demanda equivalente do sistema.

O índice de isocianato não é um número baseado em experiência.

O índice de isocianato pode ser entendido como a razão entre o NCO adicionado e o NCO teórico necessário. Um índice de 100 está próximo do equilíbrio teórico equivalente. Um índice acima de 100 significa excesso relativo de isocianato, enquanto um índice abaixo de 100 significa deficiência relativa de isocianato.

O índice influencia a dureza, a resistência do gel, a estrutura celular, a condição das células abertas, o comportamento de cura e alguns riscos de defeitos. A configuração do índice deve visar a estrutura de espuma desejada e a estabilidade da produção. Não é adequado como um fator isolado para aumentar a dureza, prevenir o colapso, prevenir rachaduras ou reduzir riscos.

Quando o nível de água, o poliol, o agente de reticulação, o extensor de cadeia ou o tipo de isocianato se alteram, a dosagem real correspondente ao índice também deve ser recalculada. O valor da IDA (Ingestão Diária Tolerável) em uma fórmula antiga não deve ser aplicado diretamente.

Por que uma rota de sopro diferente altera a dosagem de TDI sob a mesma densidade alvo?

Sob a mesma densidade alvo, um sistema composto apenas de água e um sistema composto de água e agente expansor físico seguem lógicas de cálculo diferentes. A principal diferença reside na participação da água na reação química e no consumo de NCO.

Em um sistema composto exclusivamente de água, a água fornece CO₂ e consome isocianato. À medida que a quantidade de água aumenta, a demanda por isocianato, a liberação de calor e o equilíbrio das reações se alteram.

Um agente expansor físico contribui principalmente para o volume através da volatilização. Ele afeta a expansão da espuma, a condição das células, o controle da densidade e a segurança do processo, mas não aumenta significativamente a demanda equivalente de NCO da mesma forma que a água.

Se parte do volume de água for reduzido e um agente expansor físico for introduzido para auxiliar na tarefa de sopro, a dosagem de TDI ou MDI deverá ser recalculada, pois o nível de água e o consumo de NCO (óleo mineral não oxigenado) foram alterados.

Em alguns sistemas tradicionais de baixa densidade, o MC (Microscopia Contínua) tem sido usado para compartilhar a tarefa de sopro. Quando essa abordagem é utilizada, é preciso considerar os requisitos ambientais, de segurança, as normas, a ventilação, a proteção dos trabalhadores, a adequação dos equipamentos e os requisitos do produto. A decisão não pode se basear apenas na densidade desejada.

Após alterações no processo de insuflação, a demanda de isocianato, a liberação de calor, a condição de células abertas, a dureza, a resiliência, a velocidade de cura, o risco de queimaduras e a deformação permanente por compressão precisam ser reavaliados.

Por que a formação de espuma ainda pode ser instável mesmo quando o cálculo equivalente está correto?

O cálculo de equivalência determina a proporção química básica. Catalisadores e surfactantes de silicone geralmente não participam do cálculo básico de equivalência, mas afetam diretamente o tempo de reação, a estabilidade da célula, a condição de célula aberta e a formação final da espuma.

Os catalisadores controlam o tempo entre a expulsão e a gelificação.

Os catalisadores são usados ​​para ajustar a relação de velocidade entre a reação de expansão e a reação de gelificação. Os catalisadores de amina geralmente têm uma influência maior na formação de espuma e no tempo de expansão, enquanto os catalisadores organoestânicos geralmente têm uma influência maior na gelificação e na formação da estrutura. Diferentes catalisadores têm seletividade diferente, portanto, não devem ser julgados apenas pelas categorias "amina" ou "estanho".

Se o sistema catalisador for muito rápido, as células podem não se abrir corretamente, a estrutura pode se fixar prematuramente, o calor pode ser liberado em excesso ou as células podem ficar grosseiras. Se o sistema catalisador for insuficiente, a espuma pode apresentar gelificação lenta, suporte fraco, fluxo frontal, rachaduras na superfície, colapso ou cura lenta após a secagem.

O ajuste do catalisador deve focar no tempo de reação do sistema atual, em vez de simplesmente acelerar ou retardar a reação. Sistemas de baixa temperatura, alto teor de água, baixa densidade, com carga de material de enchimento e alto teor de agente expansor físico são frequentemente mais sensíveis ao equilíbrio do catalisador.

O surfactante de silicone controla a estabilidade celular e a condição de células abertas.

O surfactante de silicone afeta a estabilidade das bolhas, a uniformidade das células, a condição de células abertas e o fluxo de ar. Diferentes faixas de densidade, rotas de sopro, níveis de carga e condições do equipamento exigem diferentes escolhas de surfactante de silicone.

Um surfactante de silicone inadequado pode levar a um alto teor de células fechadas, encolhimento, células grosseiras, colapso ou fluxo de ar anormal. Não deve ser copiado diretamente de outro sistema de formulação.

Para a produção em escala industrial, a seleção e a dosagem do surfactante de silicone devem ser avaliadas em conjunto com a estrutura celular desejada, o processo de sopro, o equilíbrio do catalisador, a faixa de densidade e o equipamento de produção. Após a estabilização celular, ainda é necessário verificar se a espuma se expande, cura adequadamente e pode ser cortada com facilidade.

Como uma fórmula base se torna uma fórmula de produção executável para uma linha contínua?

Para a produção contínua de blocos de concreto, a fórmula base, a fórmula de teste em laboratório e a fórmula de produção devem ser tratadas separadamente. A fórmula base fornece o ponto de partida para os cálculos, os testes em laboratório verificam a direção da formulação e a fórmula de produção deve ser ajustada de acordo com as condições do equipamento e do local.

Os testes de laboratório apenas verificam a direção da formulação.

Um teste de laboratório ou uma validação de espuma em pequena escala pode ser usado para observar o crescimento, a tendência das células e o desempenho inicial. É adequado para avaliar se a formulação tem base para um aumento de escala posterior, mas não representa diretamente o desempenho final da produção contínua de blocos de espuma.

Uma linha de produção contínua de espuma difere dos testes de laboratório em termos de intensidade de mistura, tamanho dos blocos de espuma, acúmulo de calor, estado de transporte, velocidade da linha, largura, condições de formação e método de cura. A mesma fórmula pode apresentar bom desempenho em testes de laboratório, mas ainda assim exibir desvios de densidade, alterações nas células, defeitos na superfície ou problemas de cura na linha de produção.

A fórmula de produção deve ser convertida em taxa de fluxo por unidade de tempo.

Para a produção contínua de blocos de espuma, converter uma fórmula base em uma fórmula de produção não se resume a simplesmente trocar gramas por quilogramas. Uma linha de espumação contínua executa cada componente conforme a vazão por unidade de tempo.

O sistema de dosagem determina se cada componente pode ser fornecido de forma estável, de acordo com a proporção desejada. Se a dosagem de um componente for muito pequena, a precisão da dosagem torna-se uma limitação. Se uma matéria-prima tiver alta viscosidade, seu comportamento de fluxo pode mudar significativamente com a temperatura. Sistemas com carga de enchimento também exigem atenção à sedimentação, transferência e bombeabilidade.

A velocidade da linha, a largura da espuma e a eficiência da produção afetam a quantidade de alimentação por unidade de tempo. Com a mesma fórmula básica, diferentes larguras, velocidades e requisitos de capacidade levam a diferentes taxas de fluxo de produção.

As condições do equipamento definem o intervalo de correção do local.

O sistema de mistura determina se todos os componentes podem ser dispersos uniformemente em um curto período de tempo. A mistura insuficiente pode causar desequilíbrio na reação local, células irregulares, estrias brancas localizadas, flutuação na densidade, rachaduras ou propriedades físicas instáveis.

As condições da placa de queda e da zona de formação afetam o fluxo da espuma, a curva de ascensão, a condição da superfície superior e a distribuição da densidade. Durante a ampliação da escala de produção contínua de espuma, o cálculo da formulação deve ser verificado juntamente com essas condições de formação.

A correção no local deve ser baseada na aparência da espuma, nas condições do equipamento, na temperatura, na estrutura celular, no estado de cura e no resultado da densidade. Se a margem de ajuste for muito grande, a fórmula base, os parâmetros da matéria-prima ou as condições de produção devem ser verificados novamente.

Por que a mesma fórmula se comporta de maneira diferente em diferentes estações do ano ou regiões?

Temperatura, umidade, pressão atmosférica, altitude e condições da matéria-prima afetam os resultados da formação de espuma. Quando a mesma fórmula é usada em diferentes estações do ano ou regiões, ajustes no local são frequentemente necessários.

A baixa temperatura diminui a velocidade da reação, aumenta a viscosidade da matéria-prima e afeta o crescimento, a gelificação e a pós-cura. Na produção de inverno, o fluxo frontal, as marcas onduladas, as fissuras na superfície, a secagem lenta e as estrias brancas são frequentemente relacionados ao atraso na reação e às alterações nas condições de mistura local causadas pela baixa temperatura.

Em ambientes de alta temperatura, o sistema pode reagir muito rapidamente e liberar calor de forma mais intensa. Condições de produção com baixa densidade, alto teor de água, blocos grandes ou ventilação inadequada exigem atenção especial à temperatura do núcleo, ao risco de núcleo vermelho e à queima.

A umidade e o teor anormal de água nas matérias-primas podem alterar o equilíbrio da reação. Se o isocianato for exposto à umidade, o teor de água do poliol for anormal ou as condições de armazenamento forem instáveis, o resultado real da reação poderá divergir do cálculo teórico.

A pressão atmosférica e a altitude também afetam a expansão e a densidade real da espuma. Em áreas de alta altitude, a menor pressão atmosférica pode causar um comportamento de expansão e condições celulares diferentes em comparação com áreas de baixa altitude. Quando a produção é transferida entre regiões, a fórmula deve ser considerada apenas como ponto de partida, sendo necessários testes de espuma e ajustes no local.

Por que os materiais de enchimento e os aditivos funcionais exigem uma reavaliação da formulação?

Quando cargas, retardantes de chama, pigmentos, antioxidantes e componentes similares entram no sistema, o equilíbrio original entre reação, estrutura celular e propriedades físicas precisa ser reavaliado. Embora possam não participar diretamente da reação principal, esses componentes podem alterar a viscosidade do sistema, as condições de mistura, a estrutura celular e o comportamento de cura.

Os materiais de enchimento são variáveis ​​de formulação.

Os materiais de enchimento geralmente não participam da reação principal do poliuretano, mas alteram a viscosidade do sistema, a dispersão da mistura, a estrutura celular, a transferência de calor e as propriedades mecânicas.

Após a introdução de cargas, a água, os catalisadores, o surfactante de silicone e o índice de isocianato frequentemente precisam ser reavaliados. Quanto maior a carga, maior a atenção que deve ser dada à sedimentação, transferência, dosagem e estabilidade da produção contínua.

Em sistemas com alto teor de carga, os materiais de enchimento não devem ser tratados apenas como recursos para redução de custos. Eles afetam as condições reais da espuma e alteram a janela de processo da fórmula original.

Aditivos funcionais alteram os limites do sistema.

Retardantes de chama, pigmentos, antioxidantes, aditivos resistentes ao calor e componentes funcionais semelhantes podem afetar a velocidade de reação, a viscosidade, a estrutura celular, a sensação ao toque e o comportamento de cura.

Após a introdução de aditivos funcionais, a fórmula original não deve mais ser considerada o mesmo sistema. O objetivo funcional deve ser verificado juntamente com a estabilidade da fórmula principal. Sistemas retardantes de chama e sistemas de cores escuras, em particular, exigem maior atenção às células, ao acúmulo de calor, à cura e às propriedades físicas.

Como os defeitos de produção podem ajudar a verificar novamente a formulação e as condições do local ?

Os defeitos de produção geralmente não são causados ​​por uma única matéria-prima. Queimaduras, células fechadas, encolhimento, rachaduras e desvios de densidade exigem que a proporção da formulação, o tempo de reação, a estrutura celular e o processo no local sejam avaliados em conjunto.

A presença de pequenas queimaduras geralmente indica que a liberação de calor, o tamanho do bloco, a dissipação de calor e o método de cura devem ser revistos. Em sistemas de baixa densidade e alto volume de água, concentrar-se apenas no volume de sopro pode facilmente subestimar a temperatura do núcleo e o risco pós-cura.

Células fechadas e encolhimento geralmente indicam que a abertura das células, a compatibilidade do surfactante de silicone, o tempo de gelificação e as condições de cura devem ser revisadas. Um alto teor de células fechadas afeta o fluxo de ar, a sensação ao toque e a estabilidade dimensional, podendo levar a um encolhimento adicional.

A localização e o formato das fissuras podem ajudar a identificar a direção do problema. Por exemplo, fissuras na parte superior, nas laterais, nos cantos inferiores ou internas geralmente correspondem a diferentes estágios de formação e pontos de tensão. A causa real ainda precisa ser avaliada juntamente com a velocidade de sopro, a velocidade do gel, a temperatura da matéria-prima, a configuração do índice, a condição da placa de queda, o ritmo de transporte e a perturbação do local.

A variação de densidade deve ser inicialmente separada em fatores como cálculo da formulação, dosagem, velocidade da linha, ambiente e amostragem. A densidade alvo é calculada, enquanto a densidade real resulta da ação conjunta da formulação, do equipamento, do ambiente e da cura.

As formulações industriais também devem respeitar os limites de segurança e regulamentação.

A formulação de espuma flexível de poliuretano não deve visar apenas a densidade, o custo ou a sensação ao toque. A produção industrial também precisa considerar a segurança, os requisitos ambientais, os limites regulamentares e a controlabilidade do processo.

Quando agentes expansores físicos são utilizados, é necessário verificar as normas locais, a ventilação, a proteção dos trabalhadores e a adequação dos equipamentos. Para sistemas de alta umidade e baixa densidade, a liberação de calor, a queima, a cura e o armazenamento devem ser avaliados. Quando retardantes de chama são utilizados, a norma alvo, os requisitos de teste e a aplicação do produto devem ser confirmados, em vez de adicioná-los indiscriminadamente.

O limite de segurança de uma linha de espumação contínua também deve ser considerado na formulação. Blocos grandes, alta produção, ventilação insuficiente e armazenamento de cura excessivamente denso podem aumentar o acúmulo de calor e o risco de produção.

Uma fórmula de produção madura deve atender a três condições: a relação de cálculo é válida, o processo de produção é controlável e o produto final é estável. Se alguma dessas condições não for atendida, a produção em lotes a longo prazo torna-se difícil de sustentar.

O cerne do cálculo de formulação é a construção de relações entre variáveis.

O cálculo da formulação de espuma flexível de poliuretano exige a avaliação da densidade alvo, componentes de referência, índice de hidroxila, teor de NCO, nível de água, índice de isocianato, método de insuflação, testes de laboratório, ampliação da escala de produção e ajustes no local, tudo dentro do mesmo sistema.

A fórmula teórica resolve a relação de proporção, os testes de laboratório verificam a direção da reação e a fórmula de produção verifica a adequação do equipamento e do processo. Para projetos industriais, o cálculo da formulação deve ser avaliado juntamente com a configuração da linha de produção. Dosagem, mistura, controle de temperatura, velocidade da linha, largura, cura e condições de segurança afetam o resultado final.

Se você está planejando um projeto de produção de espuma flexível de PU, Sabtech pode ajudar a avaliar se a direção da formulação corresponde ao sistema de produção com base na densidade de espuma desejada, direção do produto, método de produção, configuração do equipamento e condições do local.