Impacto do grau de reticulação nas principais propriedades do poliuretano

No poliuretano, além da influência da composição do segmento de cadeia dentro da molécula, o grau de reticulação é um fator estrutural primário que afeta suas principais propriedades. A extensão da reticulação afeta diretamente o desempenho dos produtos de espuma e está relacionada ao peso molecular e à funcionalidade dos polióis e poliisocianatos utilizados, sendo os polióis particularmente significativos. A quantidade de variedade, seleção e uso de polióis permitem o controle sobre a densidade cruzada do produto, ajustando o peso molecular e a funcionalidade das matérias-primas, produzindo assim produtos de espuma com propriedades variadas de macios a rígidos.

Evidências empíricas mostram que os polióis usados ​​em espuma macia geralmente têm uma funcionalidade de 2-4, com uma razão de peso molecular e funcionalidade (m/f, anteriormente chamado equivalente) de cerca de 1000. Alguns produtos excepcionalmente moles podem atingir um M/F de 1000-1500. Para espumas rígidas, a funcionalidade dos poliéters polióis varia de 3-8, com um m/f entre 100-150. As espumas semi-rígidas usam poliétros poliéticos com m/f e valores de funcionalidade entre esses intervalos ou uma mistura de dois polióis.

Em produtos moles, diferentes densidades de reticulação também afetam o desempenho da espuma. Os pesquisadores estudaram espumas macias feitas de várias proporções de polióis poliethes difuncionais e trifuncionais com TDI 80/20 para observar o efeito de diferentes densidades de reticulação e densidades de anéis aromáticos, uretano e grupos de uréia no desempenho da espuma.

Os produtos de espuma feitos de poliéters com diferentes proporções de grupos difuncionais e tetrafuncionais mostram tendências semelhantes. Quando a densidade de ligação cruzada é baixa (alto valor de MC) e a densidade de anéis aromáticos, uretano e grupos de uréia diminui, a espuma é mais macia, com menor resistência à tração e carga de compressão, mas maior alongamento e melhor flexibilidade de baixa temperatura. Em densidades cruzadas semelhantes (valores de MC de 3375 e 3385), se o conteúdo de anéis aromáticos, uretano e grupos de uréia aumentar, os produtos se tornam mais difíceis com o aumento do módulo mecânico em altas temperaturas. Comparando duas espumas com diferentes densidades de ligação cruzada, mas densidades semelhantes de anéis aromáticos e grupos de uretano/uréia, a espuma com menor densidade de ligação cruzada (maior valor de MC) tem melhor flexibilidade de baixa temperatura, enquanto a espuma com maior densidade de ligação cruzada aumentou a rigidez torcional.

Usando diferentes proporções de polietéter e diisocianato de tolueno tri-funcional e funcional em um processo de espuma de uma etapa, a relação entre a densidade cruzada (valor de MC) e o módulo de tração, o alongamento e o inchaço em dimetilacetamida pode ser observado na Figura 1. Com uma densidade cruzada mais alta (valor menor de MC), a espuma é mais difícil com maior resistência à tração, mas com menor alongamento e inchaço. À medida que o valor do MC aumenta, as taxas de alongamento e inchaço aumentam, enquanto a resistência à tração diminui.

Figura 1: Relação entre o valor M (calculado) e as propriedades da espuma de poliuretano poliéter

Para produtos de espuma macia com uma densidade de 35,2-40,0 kg/m³, o efeito da densidade cruzada na resistência à compressão (carga de compressão) é mostrada na Figura 2. O valor do MC e o recíproco da força de compressão têm uma relação linear, com desvios principalmente devido a diferenças nos anéis aromáticos e no teor de uretano na espuma. Esse relacionamento também é observado em produtos de espuma de alta densidade.

Figura 2: Relação entre o valor do MC e recíproco da força de compressão

O conjunto de compressão é um importante indicador de recuperação de elasticidade de espuma, medida pela compactação de espuma até metade da sua altura original, tratando -a em 70°C por 22 horas e medindo a recuperação da altura à temperatura ambiente após 30 minutos. A variação percentual na altura é o valor do conjunto de compressão; Quanto maior o valor, mais pobre o desempenho. A densidade cruzada afeta significativamente o valor do conjunto de compressão, com valores mais pobres quando o valor MC está abaixo de 1200.

As espumas de alta resiliência com agentes de reticulação diferem estruturalmente das espumas macias de poliuretano em geral, levando a diferentes propriedades. A introdução de agentes de reticulação como a dietanolamina forma novos pontos de reticulação, melhorando significativamente a taxa de recuperação em comparação com as espumas sem esses agentes.

A relação entre a densidade cruzada e as propriedades da espuma rígida segue tendências semelhantes. O aumento da densidade cruzada aumenta a resistência à compressão, resistência à temperatura, estabilidade dimensional e permeabilidade ao vapor de água, mas reduz a resistência à tração e o alongamento. A densidade cruzada excessiva ou os valores de M/F muito baixos tornam o produto quebradiço e as reações exotérmicas altas durante o processo de espuma de uma etapa complicam o processamento e aumentam os custos, pois os polióis geralmente são mais baratos que os isocianatos. Assim, a densidade de ligação cruzada geralmente não é excessivamente alta, com polióis com valores de m/f entre 75 e 150.

A temperatura afeta significativamente a morfologia do polímero, com cada polímero tendo sua curva característica. A Figura 3 mostra a curva de temperatura do módulo de um polímero típico. Abaixo do ponto A ', o polímero está em um estado vítreo, com um' sendo a temperatura da transição vítrea. Acima de ', as cadeias moleculares começam a girar, o módulo cai rapidamente e o material entra em um estado de borracha. O aquecimento adicional para o ponto C causa uma queda repentina no módulo, indicando um estado de fluido, onde as cadeias poliméricas reticuladas começam a quebrar.

Figura 3: Relação entre módulo e temperatura para um polímero típico

Para uma espuma ideal de poliuretano rígido, a temperatura de transição vítrea deve estar acima da temperatura ambiente. Elastômeros e espumas macias têm temperaturas de transição vítrea abaixo da temperatura ambiente. Para alcançar uma boa resistência química, alto módulo e resistência à temperatura em espumas rígidas, alta função e componentes de alto conteúdo aromático são necessários, embora isso reduza a resistência e o alongamento de baixa temperatura. As espumas macias que requerem bom desempenho de alta temperatura devem usar álcool tri-hidrico e isocianato para formar fortes ligações químicas.

Em conclusão, entender como vários fatores estruturais no poliuretano afetam o desempenho permite prever e projetar produtos de espuma com propriedades desejadas, variando de espumas suaves a rígidas.

Entender como a reticulação afeta as propriedades da espuma é apenas o começo. Para colocar a teoria em prática, a escolha de uma máquina de fabricação de esponja estável e de alta precisão é fundamental. Somos especializados em máquinas profissionais de espuma de poliuretano que aumentam a qualidade do produto e a eficiência da produção.

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