Como calcular formulações de espuma de PU flexível?

O desempenho da espuma de PU flexível—como dureza, densidade e resiliência—depende muito do design preciso da formulação. Se você deseja criar sua própria espuma ideal, é essencial entender os princípios de cálculo por trás da formulação. Este artigo o guiará pelos principais métodos de cálculos de formulação de espuma de PU flexível, levando você da teoria à prática.

1. Reações químicas por trás da espuma de PU flexível

A espuma de PU flexível é formada por meio de duas reações químicas primárias: a reação de gelificação e a reação de sopro. Eles devem ser cuidadosamente coordenados para criar uma estrutura de espuma ideal.

Reação de gelificação: Isso forma o esqueleto de espuma. Grupos hidroxila (&menos;OH) no poliol reagem com grupos isocianato (&menos;NCO) para formar ligações de uretano e construir uma forte cadeia de polímero.
R&menos;OH + R&primo;&menos;NCO → R&menos;NH&menos;COO&menos;R&primo;

Reação de sopro: Isso cria a estrutura celular da espuma. A água reage com isocianatos para formar primeiro ácido carbâmico instável, que se decompõe rapidamente para liberar gás dióxido de carbono (CO₂) e formar uma amina. A nova amina então reage com outro isocianato para formar uma ligação de ureia, estendendo o polímero.
H₂O + R′&menos;NCO → [R&primeiro;&menos;NHCOOH] → R&primeiro;&menos;NH₂ + CO₂↑
R&primo;&menos;NH₂ + R&primo;&menos;NCO → R&primo;&menos;NH&menos;CO&menos;NH&menos;R&primo;

2. Parâmetros-chave na formulação

Para controlar as propriedades da espuma com precisão, você deve entender e quantificar esses parâmetros principais:

Índice de isocianato: A proporção de isocianato realmente usado em relação à quantidade teórica necessária para todo o hidrogênio ativo (de poliol e água). Um índice de 100 indica uma correspondência molar perfeita.

Valor de hidroxila de poliol: Indica reatividade, expressa em mg KOH/g. Quanto maior o valor, mais sítios reativos por grama.

Peso equivalente de isocianato: O peso molecular por mol de −grupos NCO. Isso é crucial para calcular o uso de isocianato.

Água: Atua como um agente de expansão e uma variável chave que afeta a densidade e a dureza da espuma. O uso típico é 1–5% do peso do poliol.

Aditivos: Catalisadores (por exemplo, aminas, estanho) equilibram as reações de gelificação e sopro, enquanto os surfactantes estabilizam a estrutura da espuma e evitam o colapso.

3. Processo de Cálculo de Formulação

Os cálculos de formulação são baseados na estequiometria para garantir proporções precisas dos componentes. Aqui’é o processo passo a passo:

① Calcular Mols de Hidroxila a partir de Poliol:
Mols de hidroxila = (peso de poliol × Valor de hidroxila) / (56.1 × 1000)

② Calcular Mols de Água:
Mols de água = Peso da água / 18

③ Calcular a necessidade teórica de isocianato:
Isocianato teórico = (mols de hidroxila + mols de água) × Peso equivalente de isocianato

④ Determinar o peso real do isocianato (com base no índice):
Isocianato real = Isocianato teórico × (Índice de Isocianato / 100)

⑤ Estimar a densidade teórica:
Densidade = Peso total / Volume espumado
(Observação: Não inclui perdas ou aditivos.)

4. Exemplo de cálculo

Assuma uma fórmula básica como a seguinte:

*Poliol: 100 g

*Valor de hidroxila: 56 mg KOH/g

*Água: 3 g

*Equivalente de isocianato: 140 g/mol

*Índice de isocianato: 100

Passo a passo:

*Mols de hidroxila = (100×56) / (56.1×1000) &assimp; 0,1 mol

*Moles de água = 3/18 &assimp; 0,1667 mol

*Isocianato teórico = (0,1 + 0,1667) × 140 &assimp; 37,338 g

*Isocianato real = 37.338 × (100/100) = 37,338 g

*Peso total = 100 + 3 + 37,338 = 140,338 g

*Densidade da espuma (assumindo um volume de espuma de 10 L): 140,338 g / 0,01 m³ &assimp; 14,03 kg/m³

5. Estratégias para Otimização de Fórmulas

Depois que os princípios básicos do cálculo forem compreendidos, você pode otimizar as fórmulas para o desempenho desejado:

*Ajuste o índice de isocianato: Índices mais altos aumentam a dureza e a capacidade de carga, mas podem causar fragilidade. Índices mais baixos produzem espuma mais macia e elástica.

*Alterar o conteúdo de água: Mais água diminui a densidade e a dureza da espuma, tornando-a mais leve e macia. Menos água produz uma espuma mais densa e firme.

*Sistema de catalisador refinado: A escolha e o ajuste dos catalisadores ajudam a equilibrar as taxas de gelificação e sopro para evitar o colapso ou encolhimento da espuma.

Dominar esses cálculos é apenas o primeiro passo. Na prática, variações de lote de matéria-prima, eficiência de mistura e condições ambientais também devem ser consideradas. Formulações bem-sucedidas geralmente exigem vários testes de laboratório e ajustes finos. Este artigo fornece a base para você começar com confiança sua jornada na formulação de espuma de PU flexível.