Processo de formação de espuma em uma etapa de espuma macia à base de poliéster

(1)  Matérias-primas

As matérias-primas de poliéster são geralmente poliéster feito de ácido adípico e etilenoglicol ou outros vários tipos de poliéster de ácido adípico. Em alguns casos, são utilizadas pequenas quantidades de poliéster alifático de ácido dimérico. Os isocianatos são normalmente TDI 80/20 e TDI 65/35.

(2)  Fórmula Espumante

Dependendo dos requisitos de desempenho do processo e do produto, são utilizadas diferentes matérias-primas e fórmulas de formação de espuma. Uma fórmula típica para o processo de formação de espuma em uma etapa de espuma macia à base de poliéster de média densidade é a seguinte:

• Poliol poliéster: 100 partes
• Água: 1.5–3 peças
• Surfactante não iônico: 1.5–3.0 peças
• Catalisador de amina terciária: 0.5–1.5 peças
• TDI 80/20 ou 65/35 (índice NCO: 1.03–1.07)

Durante o processo de formação de espuma de uma etapa, a fórmula acima é geralmente dividida em dois ou mais componentes, que são então alimentados a partir de tanques de armazenamento por várias bombas dosadoras de precisão em uma cabeça de mistura de alta velocidade proporcionalmente. Os componentes são rapidamente misturados e misturados uniformemente sob agitação de alta velocidade e injetados em uma correia transportadora (para produção de espuma em bloco) ou em um molde (para produção de espuma moldada) para formação de espuma. O tempo de mistura é normalmente 1–5 segundos, e o tempo para a espuma branquear (ou seja, o início da formação de espuma) é 4–6 segundos. O tempo de formação de espuma geralmente varia de 40 a 80 segundos. Depois que a espuma solidificar, ela é curada por 2 horas a 100°C para obter o produto de espuma plástica. Alternativamente, pode ser deixado em temperatura ambiente por uma semana para atingir a resistência esperada.

A quantidade real de isocianato na fórmula pode ser calculada usando a seguinte fórmula:

• Referência: 100 partes de poliéster (ou poliéter)

• A = TDI (para poliéster ou poliéter)

           = [Valor de hidroxila + Valor de ácido] * [(87 * 100) / (56 * 1000)]

          = (valor de hidroxila + valor de ácido) * 0.155

• B = TDI (para quantidade de substância aquosa)

           = [Teor de água em poliéster (ou poliéter) + água livre adicionada] * (174/18)

           = Conteúdo total de água * 9.6

• Montante teórico total do TDI = A + B

• Consumo real de TDI = Quantidade teórica de TDI * Índice de TDI

(3) Fatores de Processo na Formação de Espuma

1  Teoricamente, o índice TDI deveria ser de 100%. Contudo, em operações práticas, devido a reacções secundárias, é consumido algum TDI. Considerando a taxa de reação e a necessidade de melhorar o desempenho do produto (especialmente o desempenho do envelhecimento úmido), o índice TDI é geralmente controlado entre 103% e 110%. Se exceder 110%, poderá fazer com que a espuma forme uma estrutura de poros grosseiros ou causar rachaduras no produto de espuma.

2  A proporção isomérica do TDI também afeta o processo de formação de espuma. Para a mesma fórmula, usar 65/35 TDI resulta em menor tempo de formação de espuma e maior temperatura exotérmica (por exemplo, a temperatura exotérmica de 65/35 TDI é 100–102°C, enquanto o de 100% 2,4-TDI é 87–92°C). 3. Isto se deve principalmente ao obstáculo estérico do 2,4-TDI. Um aumento na proporção de 2,4-TDI também torna o produto mais macio. Esses fatores podem ser ajustados pela quantidade de catalisador e pelo peso molecular do poliéster na fórmula.

3  A maciez do produto de espuma pode ser ajustada controlando o número de grupos funcionais e o peso molecular do poliéster, isto é, ajustando a densidade de reticulação nas moléculas do polímero.

4  A densidade do produto de espuma pode ser ajustada pela quantidade de isocianato, água ou agente espumante externo. Quanto mais utilizado, menor será a densidade do produto. Por exemplo, a relação entre diferentes quantidades de isocianato e água no processo de formação de espuma em uma etapa e a densidade do produto de espuma é mostrada na tabela a seguir:

5  Os agentes espumantes externos podem ser líquidos de baixa volatilidade, como diclorometano, 1-fluoro-3-clorometano, etc., sendo 1-fluoro-3-clorometano o mais ideal. A adição de agentes espumantes externos não só reduz a densidade do produto, mas também o torna mais macio. Além disso, eles podem remover o calor da reação durante a vaporização, o que é particularmente útil durante a produção de produtos de espuma em grandes blocos. A faixa de uso típica é de 5%–15%. À medida que a quantidade de agente espumante externo aumenta, a estabilidade da espuma diminui. Devido à poluição atmosférica causada pelo CFC-11, alternativas como o HFC-141b ou o HFC-145fa podem ser utilizadas.

6  Os catalisadores normalmente utilizados incluem etilmorfolina, N-metilmorfolina, trietilenodiamina, trietilamina, dietilaminoetanol, octoato de estanho, dibutilestanho e vários compostos metálicos. Catalisadores compostos também podem ser usados.

7  O papel dos surfactantes de cadeia longa é principalmente aumentar a miscibilidade dos materiais, garantindo células de espuma uniformes e estabilizando a espuma para evitar o encolhimento do produto. O uso típico é de 1%–2,5% do teor de poliéster. Quantidades excessivas podem causar células espumosas grosseiras e colapso da espuma.

8  Outros aditivos também podem ser incluídos na fórmula, como o aditivo A-3 da Mobius Company para melhorar o desempenho da emulsificação e evitar o encolhimento, A-7 e A-9 para retardar a solidificação da superfície da espuma para evitar rachaduras, ou pequenas quantidades de óleo mineral, como como Kaydol, que é utilizado na produção de produtos de espuma microporosa. O uso típico é de 0,05%–0,2% do teor de poliéster.

9  Na formação de espuma mecânica, fatores como o tipo de cabeça de mistura, força de cisalhamento, velocidade de agitação, tempo de residência, contrapressão da cabeça de mistura e o diâmetro de saída da cabeça de mistura influenciam significativamente o tamanho da célula de espuma, a estrutura dos poros e o resultado final. desempenho do produto. Geralmente, a velocidade de agitação lenta ou o tempo de residência insuficiente muitas vezes levam a células grosseiras, seções ocas ou rachaduras. À medida que a velocidade de agitação e o tempo de residência aumentam, o tamanho das células da espuma torna-se mais fino. No entanto, uma vez que estes factores excedem um certo limite, podem formar-se células grosseiras e espuma colapsada. O diâmetro da saída da cabeça misturadora também afeta o tamanho das células de espuma. Um diâmetro de saída menor pode ajudar a reduzir o tamanho das células de espuma, mas se ficar muito pequeno, podem ocorrer rachaduras na espuma.

10  Durante a mistura mecânica, pequenas quantidades de ar que entram na cabeça de mistura podem reduzir o tamanho das células de espuma, mas grandes quantidades de ar podem levar a células grandes. Além disso, a presença de poeira ou contaminantes no sistema de formação de espuma pode causar poros grandes ou furos.

11  Para garantir a estabilidade do desempenho do produto e boa repetibilidade no processo, é essencial controlar rigorosamente a temperatura do material. A temperatura recomendada do material é normalmente controlada em (24±3)°C, e na prática, muitas vezes é mantido dentro ±1°C.

Os fatores de controle de processo mencionados acima representam tendências gerais. Na produção real, dependendo das matérias-primas e dos requisitos de desempenho do produto, as fórmulas e as condições do processo podem ser ajustadas de acordo para atender aos requisitos.