Como determinar a dosagem de água em formulações de espuma flexível de poliuretano?

A espuma convencional discutida neste artigo refere-se principalmente à espuma de PU flexível tradicional produzida com poliéter poliol convencional com um índice de hidroxila de aproximadamente 56 e um peso molecular de aproximadamente 3.000, juntamente com TDI-80.

1. Ajustando a densidade da espuma com água e MC

Na formulação, 1 mol, ou 18 g, de água reage para gerar 1 mol, ou 22,4 L, de dióxido de carbono. Um mol, ou aproximadamente 85 g, de MC produz 22,4 L de vapor de MC após a vaporização.

O volume real contribuído por esses gases à medida que a espuma se desenvolve e se estabiliza também é afetado por fatores como a taxa de reação, a temperatura interna da espuma e o comportamento de vaporização do MC.

Portanto, a quantidade de água utilizada em uma formulação de espuma convencional não é necessariamente fixa.

Quando as demais condições principais de formulação e processamento são semelhantes, e a dosagem de TDI é ajustada de acordo com o nível de água e o índice de TDI desejado, formulações como 3,7 partes de água + 9 partes de MC, 3,8 partes de água + 8 partes de MC e 3,9 partes de água + 7 partes de MC podem funcionar sob condições de processamento adequadas. Elas também podem produzir espuma com densidades bastante semelhantes, mesmo que a dosagem de água seja diferente.

2. Ajustando o equilíbrio térmico com água e MC

A reação entre a água e o TDI libera calor, enquanto o MC absorve calor durante a vaporização. Ajustar as quantidades de água e MC é, portanto, um meio importante de controlar o equilíbrio térmico dentro da espuma.

Utilizando as mesmas três formulações como exemplos:

• Fórmula 1: 3,7 partes de água + 9 partes de MC;
• Fórmula 2: 3,8 partes de água + 8 partes de MC;
• Fórmula 3: 3,9 partes de água + 7 partes de MC.

Todas as três formulações podem funcionar em condições de processamento adequadas e produzir espuma com densidade semelhante, mas suas cargas térmicas são diferentes. Em geral, a Fórmula 1 tem a menor carga térmica, seguida pela Fórmula 2, enquanto a Fórmula 3 tem a maior.

O equilíbrio térmico dentro da espuma afeta ainda mais a temperatura interna máxima, a taxa de reação global e o tempo de desprendimento.

Sob condições semelhantes de catalisador de amina, catalisador de estanho e índice TDI, a Fórmula 1 normalmente apresentará uma temperatura interna máxima mais baixa, uma reação global mais lenta e um tempo de evaporação relativamente maior.

3. A água e o sistema catalítico afetam conjuntamente a reação.

Os poliéteres polióis convencionais usados ​​nesse tipo de espuma têm reatividade relativamente baixa, portanto sua reação com o TDI ocorre de forma comparativamente lenta.

Em formulações de espuma convencionais de densidade média e baixa, no entanto, as quantidades de água e TDI são relativamente altas. As reações entre a água e o TDI, incluindo a subsequente formação de ureia, são, portanto, uma importante fonte de calor dentro da espuma.

Os catalisadores de amina têm uma influência importante na reação de expansão da água com TDI, bem como no equilíbrio geral da reação. Portanto, em formulações de espuma convencionais, a dosagem de água precisa ser ajustada juntamente com os catalisadores de amina, os catalisadores de estanho e outras condições de reação.

4. Análise Estática e Dinâmica

As três primeiras seções examinam principalmente as relações entre água, MC e comportamento da reação a partir de uma perspectiva relativamente estática. No entanto, na formação real de espuma, esses fatores também precisam ser compreendidos dinamicamente.

O primeiro processo dinâmico é o equilíbrio entre o calor gerado pela reação água-TDI e o calor absorvido pelo MC durante a vaporização. A temperatura do material, o sistema catalítico e a taxa de reação global influenciam a forma como o calor se desenvolve dentro da espuma durante esta etapa.

O segundo processo dinâmico é a expansão contínua da espuma. À medida que o volume da espuma aumenta, o MC continua a vaporizar e a absorver calor, enquanto a espuma também transfere calor para o ambiente ao seu redor. Esses processos podem diminuir a velocidade com que o calor da reação eleva a temperatura interna da espuma.

O terceiro processo dinâmico é o aumento geral da temperatura interna da espuma à medida que as reações exotérmicas continuam. Com o aumento da temperatura, as taxas das diversas reações também aumentam, enquanto os gases dentro da espuma sofrem expansão térmica. Em condições aproximadas, por exemplo, um gás aquecido de 20 °C para 100 °C expande-se para cerca de 1,27 vezes o seu volume original.

Com base na experiência com formulações de espuma convencionais de densidade semelhante utilizadas em diferentes regiões, uma diferença notável costuma ser a proporção entre água e MC (hidróxido de cálcio). O sistema catalítico de amina pode então ser ajustado para acomodar diferenças nas matérias-primas, nas condições locais e nos ambientes de produção.

Na produção real, uma diferença notável na formulação entre a espuma horizontal e a espuma vertical é que a relação água/MC (umidade do conteúdo) costuma ser diferente.

Na formação de espuma vertical, a espuma ascendente precisa desenvolver resistência estrutural suficiente relativamente rápido durante a expansão. Isso impõe maiores exigências à taxa de reação e ao desenvolvimento da estrutura da espuma. Em algumas formulações tradicionais de espuma flexível, utiliza-se uma proporção maior de água para aumentar a formação de ureia e ajustar o comportamento da espuma.

Portanto, nesses tipos de formulações, a formação de espuma vertical na mesma densidade alvo geralmente utiliza uma relação água/MC maior do que a formação de espuma horizontal.

Em geral, uma vez estabelecidas a densidade e a dureza desejadas para uma formulação de espuma convencional de densidade média ou baixa, a dosagem de água não possui necessariamente um valor fixo único e pode ser ajustada dentro de uma determinada faixa.

No entanto, alterar a dosagem de água faz mais do que modificar a quantidade de gás de sopro. Também afeta a demanda de TDI, a formação de ureia, o calor da reação e o balanço geral da reação.

Por essa razão, a formulação final precisa considerar a dosagem de MC, o índice TDI, o sistema catalisador, a temperatura da matéria-prima e o processo de espumação específico em conjunto, para que possa ser adaptada a diferentes matérias-primas, máquinas, temperaturas ambientes, espumação com cabeçote oscilante, espumação em calha de transbordamento, espumação horizontal, espumação vertical e outras condições de produção.