Em setembro de 2021, recebemos uma consulta do Sr. Abdullah na Arábia Saudita a respeito de uma máquina de formação de espuma contínua. O cliente planejava estabelecer uma fábrica de espuma PU para produzir produtos para os mercados local e iemenita. Ele tinha algum conhecimento básico sobre uso e seleção de máquinas.

O cliente não tinha experiência anterior na produção de espuma, por isso estava particularmente preocupado com o suporte pós-venda e a assistência técnica.

Começamos analisando o mercado-alvo do cliente (indústria específica) e entendendo os requisitos locais do produto (como densidade da espuma, dureza, etc.) para confirmar as necessidades de produção do cliente.

Por meio de videoconferências, orientamos o cliente em nosso processo de produção de espuma PU, proporcionando ao cliente uma compreensão concreta da produção de espuma e destacando as vantagens de conveniência e eficiência de nossas máquinas em comparação com as de outros fabricantes.

Com base em nossos mais de 20 anos de experiência em formação de espuma, compartilhamos ideias com o cliente sobre o uso da máquina e os desafios comuns no processo de formação de espuma, abordando quaisquer preocupações técnicas que o cliente possa ter tido.

Também fornecemos ao cliente planos de layout de fábrica para agilizar a configuração de toda a linha de produção de espuma e, ao mesmo tempo, maximizar a eficiência da produção.

Devido ao alto nível de confiança do cliente em nosso serviço profissional, ele acabou nos escolhendo como seu fornecedor de máquinas de espuma e, posteriormente, fez compras repetidas para uma linha de produção de espuma recolocada e máquinas de corte de espuma.

Para muitas empresas de pequena escala, embora a linha de produção contínua de espuma flexível de poliuretano ofereça alto rendimento, os custos também são muito elevados e o mercado-alvo pode não exigir quantidades tão grandes. Como resultado, as linhas de produção não contínuas de espuma flexível de poliuretano tornaram-se a sua escolha preferida. A seguir está uma introdução à linha de produção não contínua de espuma flexível de poliuretano:

1. Equipamento de processo de formação de espuma em caixa

O processo e o equipamento de formação de espuma de caixa foram desenvolvidos como uma nova tecnologia para acomodar as necessidades de instalações de produção de espuma de poliuretano em pequena escala. Ele se baseia em técnicas laboratoriais e manuais de produção de espuma, essencialmente uma versão aprimorada dos métodos laboratoriais de espuma. Este processo passou por três etapas de desenvolvimento. Inicialmente, todos os materiais componentes foram pesados ​​sequencialmente e adicionados a um recipiente maior, seguido da adição de TDI. Após mistura rápida, a mistura foi imediatamente vertida num molde de caixa grande. Este método apresentava alta intensidade de trabalho, emitia altas concentrações de gases tóxicos e representava riscos significativos à saúde dos operadores. Além disso, os respingos de materiais durante o vazamento arrastariam uma grande quantidade de ar, levando à formação de grandes bolhas de ar dentro da estrutura da espuma e até mesmo causando rachaduras na espuma. Além disso, havia uma quantidade significativa de sobras, resultando em desperdício substancial de materiais e altos custos de produção. 

Posteriormente, o processo incorporou bombas dosadoras para transportar materiais para um barril misturador com fundo de abertura automática. Após a mistura em alta velocidade, a placa inferior do cilindro de mistura se abriria e o ar comprimido expeliria rapidamente o material para o molde para expansão da espuma. No entanto, esta abordagem sofria de estruturas irregulares de poros de espuma devido ao rápido fluxo de material, levando a estruturas de espuma rodopiantes e problemas de qualidade, como rachaduras em forma de crescente. O terceiro estágio de melhoria do processo é o dispositivo de formação de espuma de caixa, que é mais adotado atualmente. Seu princípio fundamental de formação de espuma é ilustrado na Figura

(a)  Medição e mistura de matérias-primas      (b) Espuma     (c) A espuma sobe até a altura limite

1 - Tambor Elevável de Mistura de Materiais; 2 - Molde Caixa Montável; 3 - Placa Superior da Caixa Flutuante; 4 – Corpo de Espuma

Figura 1: Diagrama esquemático do princípio da formação de espuma em caixa

O equipamento de produção industrial para espumação de caixas consiste principalmente em tanques de matéria-prima, unidades de bombas dosadoras, barris de mistura eleváveis ​​e moldes de caixas de madeira montáveis. Conforme ilustrado no diagrama esquemático do equipamento de espumação de caixa fabricado pela Hennecke (Figura 2), as matérias-primas espumantes são armazenadas em tanques e reguladas por dispositivos de controle para atingir a faixa de temperatura de processamento necessária, normalmente mantida em 23°C ± 3°C. Sequencialmente, a bomba dosadora injeta poliéter polióis, catalisadores, surfactantes, agentes espumantes, etc., no cilindro de mistura por uma duração de agitação de 30 a 60 minutos. A seguir, de acordo com a formulação, o TDI é introduzido, diretamente ou através de um recipiente intermediário com interruptor inferior. A mistura imediata segue a adição de TDI. Dependendo dos materiais e da formulação, a velocidade de agitação é geralmente controlada em 900 a 1000 rotações por minuto (r/min), com um tempo de agitação de 3 a 8 segundos. Após agitação, o cilindro de mistura é levantado rapidamente. A parte inferior do barril não tem fundo e é colocada na placa inferior da caixa de molde ao abaixar, utilizando um anel de vedação na borda inferior do barril para evitar vazamento de material.

Quando levantada, a pasta bem misturada pode ser espalhada e dispersa diretamente na placa inferior do molde de caixa, permitindo o aumento natural da espuma. Para evitar a formação de uma superfície abaulada na parte superior durante a formação de espuma, é equipada uma placa de molde superior que corresponde à área do molde e permite o movimento limite ascendente. A caixa do molde é composta principalmente por painéis rígidos de madeira, com a placa inferior fixada em um carro móvel de transporte do molde. Todos os quatro painéis laterais são montáveis, apresentando mecanismos de travamento de abertura e fechamento rápidos. Os lados internos dos painéis são revestidos com agentes desmoldantes à base de silicone ou revestidos com filme de polietileno para evitar aderência. Após 8 a 10 minutos de maturação forçada dentro da caixa, os painéis laterais da caixa-molde são abertos, permitindo a retirada da espuma flexível em formato de bloco. Após mais 24 horas de maturação, esses blocos de espuma podem ser submetidos a cortes e outros procedimentos de pós-processamento.

1 - Tanque de Matéria Prima; 2 - Unidade Bomba Dosadora; 3 - Gabinete de Controle; 4 - Tambor Misturador com Dispositivo Elevador; 5 - Caixa Espumante; 6 - Produto Acabado em Espuma; 7 – Placa Flutuante

Figura 2: Equipamento de espumação de caixa fabricado pela Hennecke (BFM100/BFM150)

O processo e o equipamento de formação de espuma de caixa apresentam características como operação simples, estrutura de equipamento compacta e direta, baixo investimento, área ocupada pequena e manutenção conveniente. Essas características o tornam particularmente adequado para pequenas empresas envolvidas na produção intermitente de blocos de espuma de baixa densidade. No entanto, as suas desvantagens também são bastante evidentes: menor eficiência de produção, ambiente de produção menos favorável, elevada concentração de gases tóxicos emitidos no local, necessitando da utilização de sistemas de exaustão e purificação de gases tóxicos altamente eficazes.

Para aumentar a eficiência da mistura, algumas empresas adicionaram vários defletores verticais e equidistantes às paredes internas do cilindro de mistura. Esses defletores, combinados com agitadores tipo espiral de alta velocidade, facilitam a mistura em alta velocidade. Esta abordagem pode, até certo ponto, reduzir os efeitos do fluxo laminar no líquido de mistura e melhorar a eficiência da mistura. Um exemplo disso é o nosso produto, o SAB-BF3302. Para a aparência e especificações técnicas do produto, consulte a Figura 3.

Figura 3: Máquina de espuma de caixa totalmente automática (Sabtech Technology Limited)

Esta linha de produção vem com controle de computador totalmente automático e modos de controle manual. É adequado para a produção de espuma flexível de poliuretano com densidades que variam de 10 a 60 kg/cm. Produção máxima de espuma: 180L. Altura da espuma: 1200mm. Potência de mistura: 7,5kW. Potência total: 35kW.

2. Equipamento para preparação de espuma de células abertas

A espuma de poliuretano de células abertas é um produto de espuma funcional desenvolvido na década de 1980. Possui alta porosidade, estrutura de rede distinta, maciez, respirabilidade e boa resistência mecânica. Ele encontra ampla aplicação como excelente material de filtração e absorção de choque em transporte, instrumentação, membranas de filtração de material médico e como transportadores de catalisadores na indústria química. Preenchê-lo nos tanques de combustível das aeronaves pode suprimir a agitação do óleo e reduzir o risco de explosões. Impregná-lo com lama cerâmica e sinterização em alta temperatura resulta em um novo material de filtro cerâmico de célula aberta usado na indústria metalúrgica.

A preparação de espuma de poliuretano de células abertas envolve métodos como hidrólise a vapor, imersão alcalina e explosão. Na produção industrial, o método de explosão é utilizado predominantemente. Inicialmente, a espuma de poliuretano com um tamanho de poro específico é preparada usando o processo de formação de espuma em caixa. Posteriormente, é colocado em equipamento de rede de explosão dedicado, preenchido com gás explosivo e aceso após o preenchimento completo do corpo de espuma. Ao utilizar a energia de impacto e o calor de alta temperatura gerado pelos parâmetros de explosão, as paredes celulares da espuma de poliuretano são rompidas e fundidas nas paredes celulares, formando uma estrutura de rede distinta, conforme mostrado na Figura 4.

Figura 4: Espuma de células abertas claramente interligada

Métodos como hidrólise a vapor ou imersão alcalina são usados ​​para preparar espuma de células abertas. No entanto, existem problemas de baixa eficiência, má qualidade e poluição ambiental com estes métodos. Eles são empregados principalmente para produção em pequena escala, como testes de amostras de laboratório. A produção em grande escala utiliza principalmente o método de explosão.

ATL Schubs GmbH, uma empresa alemã, é especializada em pesquisa e desenvolvimento de espuma reticulada de poliuretano e fabrica máquinas de explosão de espuma ReticulatusTM. A câmara de explosão do equipamento de explosão de espuma reticulada apresenta-se em duas formas: cilíndrica e retangular. O primeiro é adequado para espuma cilíndrica, enquanto o segundo é mais versátil. Pode ser utilizado não só para espuma quadrada, mas também para processar espuma reticulada a partir de espuma cilíndrica, conforme Figura 5. A câmara de explosão é construída com placas de aço de alta qualidade com 100 mm de espessura. A operação é controlada por um modem de computador, oferecendo recursos como abertura e fechamento automáticos, travamento automático, operação automática e alertas automáticos. Além disso, o projeto e a modificação remota do programa podem ser facilitados por meio de sensores de transmissão de dados.

Figura 5: Equipamento de Processamento de Reticulação de Espuma de Poliuretano (ATL Schubs)

Durante a produção, corpos de espuma medindo de 3 a 6 metros de comprimento destinados à reticulação são empurrados para dentro da câmara de explosão. A porta da câmara é fechada hidraulicamente e o ar dentro da câmara é evacuado por meio de uma bomba de vácuo. Sob controle do computador, uma proporção precisa de gases oxigênio e hidrogênio é introduzida, e a proporção da mistura de gases é ajustada mecanicamente com base em fatores como tipo de amostra de espuma e requisitos de tamanho da rede 

Os sensores monitoram continuamente o processo, garantindo que todos os parâmetros do processo estejam dentro das condições especificadas antes que a detonação controlada seja iniciada. A força explosiva e a intensidade da chama gerada pela explosão penetram em todo o corpo de espuma, criando uma estrutura de rede distinta. Após a formação, o corpo de espuma é resfriado, os materiais residuais e os gases residuais são purgados com nitrogênio e a câmara de pressão pode então ser aberta para recuperar a espuma reticulada. Todo o processo leva aproximadamente 8 a 10 minutos. O diâmetro dos poros da espuma reticulada está na faixa de 10 a 100 poros por polegada (ppi) (Nota: ppi refere-se ao número de poros dentro de uma polegada).

O que foi dito acima fornece algumas dicas sobre o processo de produção não contínuo de espuma flexível de poliuretano. Espero que esta informação seja útil para você.

A estabilidade da espuma de esponja de espuma macia de poliuretano refere-se a se a espuma quebra, fecha os poros, colapsa e também inclui dureza do produto, densidade, elasticidade, resistência à tração, tamanho dos poros e outros aspectos que atendem aos requisitos do cliente. Para conseguir isso, é necessário padronizar matérias-primas, formulações e parâmetros operacionais, e controlar as complexas e diversas reações químicas em diferentes ambientes.

Densidade: A densidade é medida em quilogramas por metro cúbico ou gramas por centímetro cúbico. Para produtos pequenos de formato irregular, não é fácil medir a área da seção transversal. Pode-se usar papel milimetrado com pequenos quadrados (como papel milimetrado com lados quadrados de 2 milímetros) para desenhar a área da seção transversal do produto que está sendo medido e calcular a densidade contando quadrados. Durante o processo de produção, a densidade da formulação, a vazão, a velocidade da correia transportadora e a largura da espuma foram determinadas. Medir a altura da espuma revelará a densidade da espuma. Por exemplo, se uma esponja atinge uma altura de 95 centímetros, a densidade é de 20 quilogramas por metro cúbico. A densidade está relacionada à formulação e também é afetada pela taxa de reação. Existe uma diferença de densidade entre a parte superior e inferior da mesma espuma.

Dureza: A dureza da esponja pode ser dividida em dois tipos. Um reflete a dureza superficial do produto, usado para materiais para calçados, enquanto o outro reflete a dureza geral do produto, usado para esponjas para móveis. A dureza da espuma está relacionada aos segmentos duros, ao calor e ao teor de matéria-prima durante a reação, correspondendo aos materiais TDI, MC e POP. A dureza da espuma também é afetada pelo grau de reticulação. À medida que a densidade da esponja diminui, torna-se difícil aumentar a quantidade de POP. Para espumas de baixa densidade e alta dureza, o foco está em como aumentar o POP e o TDI na formulação para reduzir o MC. Para espumas de densidade média-alta e alta dureza, o foco está em maximizar o efeito de endurecimento do POP e do TDI.

Elasticidade: A elasticidade está principalmente relacionada ao peso molecular do poliéter. Quanto maior o peso molecular, maior a resiliência do produto. Em segundo lugar, está relacionado com a formação de cadeias laterais durante a reação da esponja; quanto menos cadeias laterais, melhor será a elasticidade. A redução do índice TDI pode reduzir a formação de cadeias laterais, e a redução do calor dentro da espuma também pode reduzir a formação de cadeias laterais. Contudo, se houver poucas cadeias laterais, a tolerância da formulação não é elevada e a espuma não é estável. A elasticidade da esponja também está relacionada ao equilíbrio da formulação. Quando uma esponja de espuma comum fecha os poros, a elasticidade cai drasticamente. A espuma de alta dureza não possui boa elasticidade, mas a espuma muito macia também não possui alta resiliência.

Resistência à tracção: As esponjas para móveis são usadas principalmente para sentar e inclinar-se, portanto os requisitos de resistência à tração não são muito altos. A resistência à tração da esponja está relacionada ao conteúdo de NCO e ao grau de reticulação nos meridianos. Aumentar o índice TDI e aumentar o calor dentro da espuma pode fortalecer o conteúdo de NCO e o grau de reticulação. O aumento do MC reduz o aumento da resistência à tração em muitos casos. A quantidade de TDI que uma formulação pode “acomodar” está relacionada ao método de formação de espuma, como máquinas de alta pressão, máquinas de baixa pressão e formação de espuma manual, que são diferentes. Uma esponja com alta taxa de alongamento não tem necessariamente uma alta resistência ao rasgo. Para produtos que enfatizam a resistência à tração, adicionar uma pequena quantidade de pó de pedra pode reduzir bastante a resistência à tração sem perder o original.

Poros: A espuma com poros muito bons geralmente se transforma em espuma de qualidade média a alta, e o preço também aumenta significativamente. A formação de poros é um problema abrangente e, para obter poros uniformes, delicados e livres de defeitos, é necessário ter um conhecimento profundo do maquinário, das matérias-primas, das formulações e dos parâmetros. A formação de furos e marcas é geralmente causada pela entrada excessiva de ar nas matérias-primas durante a agitação na cabeça da máquina ou durante o movimento das matérias-primas. Também pode resultar de má qualidade da matéria-prima ou contaminação. A teoria de que vazamentos de ar em tubulações causando furos não é sustentável. Durante a formação de espuma, a pressão dentro do tubo é maior que a pressão atmosférica fora do tubo. Apenas a matéria-prima sai do tubo e o ar externo não pode entrar 

A produção de espuma macia em forma de bloco normalmente utiliza o espuma de máquina de espuma em lote   processo, um método de produção do tipo lacuna. Este método evoluiu da espumação manual em laboratórios. O processo envolve despejar imediatamente os materiais de reação misturados em um molde aberto semelhante a uma caixa de madeira ou metal, daí o nome "espuma em caixa". Os moldes (caixas) para espuma encaixotada podem ser retangulares ou cilíndricos. Para evitar que o bloco de espuma forme um topo abobadado, uma placa de cobertura flutuante pode ser colocada no topo da espuma durante a formação de espuma. A placa de cobertura permanece firmemente presa ao topo da espuma e move-se gradualmente para cima à medida que a espuma sobe.

Os principais equipamentos para produção de espuma in a box incluem: 1) Agitador eletromecânico, barril misturador; 2) Caixa de molde; 3) Ferramentas de pesagem, como balanças, balanças de plataforma, copos medidores, seringas de vidro e outros dispositivos de medição; 4) Cronômetro para controlar o tempo de mistura. Uma pequena quantidade de agente desmoldante é aplicada nas paredes internas da caixa para facilitar a remoção da espuma.

As vantagens de produzir espuma macia usando o método de espuma em caixa incluem: baixo investimento em equipamentos, área ocupada pequena, estrutura de equipamento simples, operação e manutenção fáceis e convenientes e produção flexível. Algumas empresas nacionais e municipais pequenas e subfinanciadas usam esse método para produzir espuma macia de poliuretano. A moldagem de espuma em caixa é um método de produção não contínuo para espuma macia, portanto a eficiência de produção é menor do que os métodos contínuos e o equipamento é operado principalmente manualmente, resultando em maior intensidade de trabalho. A capacidade de produção é limitada e há maior perda no corte de espumas plásticas. Os parâmetros do processo para espuma in a box devem ser controlados dentro de uma certa faixa porque mesmo com a mesma fórmula, as propriedades da espuma podem não ser as mesmas quando são usados ​​parâmetros de processo diferentes. A temperatura da matéria-prima deve ser controlada em (25 ± 3) graus Celsius, velocidade de mistura de 900 a 1000 r/min e tempo de mistura de 5 a 12 segundos. O tempo de mistura da mistura de poliéter e aditivos antes da adição de TDI pode ser ajustado de forma flexível dependendo da situação, e após a adição de TDI, um tempo de mistura de 3 a 5 segundos é suficiente, sendo o segredo a mistura completa após a adição de TDI.

Durante a moldagem de espuma em caixa, deve-se prestar atenção aos seguintes aspectos:

1)  Preparar antes da produção, incluindo temperatura do material e inspeção do equipamento da máquina;

2) Meça com a maior precisão possível;

3) Controle adequadamente o tempo de mistura;

4) Despeje o líquido do material misturado de forma rápida e constante, evitando força excessiva;

5) Certifique-se de que a caixa esteja colocada de forma estável, com o papel inferior plano, para evitar fluxo irregular de material durante o vazamento;

6) Quando a espuma subir, pressione suavemente a tampa para garantir que a espuma suba suavemente;

7) Os aditivos devem ser usados ​​conforme especificado e os materiais pré-misturados não devem ser deixados por muito tempo.

Três tipos de equipamentos de espuma surgiram na moldagem de espuma em caixa. Inicialmente, diversas matérias-primas foram pesadas em um recipiente de acordo com a fórmula, misturadas em um misturador de alta velocidade e despejadas no molde de caixa para formação de espuma e modelagem. Este método muitas vezes resultava em resíduos no recipiente de mistura. Um método aprimorado usou uma bomba dosadora para transportar as matérias-primas para o barril de mistura para uma mistura uniforme. Um dispositivo mecânico fechou automaticamente o fundo do cano e ar comprimido foi usado para pressionar o material na caixa de espuma para moldagem. Ambos os métodos podem criar redemoinhos devido ao rápido influxo de materiais na caixa, o que pode causar defeitos ou depressões nos produtos de espuma. O dispositivo de espuma em caixa mais razoável é colocar um barril de mistura sem fundo diretamente no centro da caixa de espuma. Uma bomba dosadora fornece as diversas matérias-primas necessárias para a formação de espuma no cilindro de mistura. Depois de misturar por alguns segundos, o dispositivo de elevação levanta o cilindro de mistura para fora da caixa de espuma, permitindo que o material de espuma flua suavemente sobre todo o fundo da caixa. Isto evita rachaduras na espuma devido a redemoinhos de material e garante uma altura relativamente uniforme em toda a espuma.

Um dispositivo de pressão pode ser adicionado ao material de espuma em expansão para produzir espuma de topo plano, reduzindo o desperdício durante o corte. Este dispositivo é adequado para a produção de espuma macia de poliuretano do tipo poliéter e espuma de bloco macio de alto rebote. Para blocos de poliuretano de acetato de polivinila, este método não pode ser usado devido à alta viscosidade do material, e geralmente são empregados métodos contínuos.

Compreender os princípios por trás das reações de espuma é crucial. Para dominar a formação de espuma, devemos nos esforçar para estabelecer um modelo de reação de espuma em nossas mentes usando as quatro equações de reação a seguir. Através da familiaridade com as variações do modelo, cultivamos uma sensibilidade que nos permite compreender todo o processo de reação da espuma. Essa abordagem ajuda a estruturar nossa base de conhecimento e habilidades profissionais em espuma de poliuretano. Seja estudando ativamente os princípios da reação da espuma ou explorando-os passivamente durante o processo de formação de espuma, ele serve como um meio vital para aprofundarmos nossa compreensão das formulações e aprimorarmos nossas habilidades.

Reação 1

TDI + Poliéter → Uretano

Reação 2

TDI + Uretano → Isocianurato

Reação 3

TDI + Água → Uréia + Dióxido de Carbono

Reação 4

TDI + Uréia → Biureto (Poliureia)

01: As reações 1 e 2 são reações de crescimento em cadeia, formando a cadeia principal da espuma. Antes da espuma atingir dois terços da sua altura máxima, a cadeia principal alonga-se rapidamente, com reações de crescimento em cadeia predominando no interior da espuma. Nesta fase, devido às temperaturas internas relativamente baixas, as reações 3 e 4 não são proeminentes.

02: As reações 3 e 4 são reações de reticulação, formando os ramos da espuma. Quando a espuma atinge dois terços da sua altura máxima, a temperatura interna aumenta e as reações 3 e 4 intensificam-se rapidamente. Durante esta etapa, as reações 1 a 4 são vigorosas, marcando um período crítico para a formação das propriedades de espuma. As reações 3 e 4 proporcionam estabilidade e suporte ao sistema de espuma. A reação 1 contribui para a elasticidade da espuma, enquanto as reações 3 e 4 contribuem para a resistência à tração e dureza da espuma.

03: As reações produtoras de gás são denominadas reações de formação de espuma. A geração de dióxido de carbono é uma reação de formação de espuma e a reação exotérmica primária na espuma de poliuretano. Em sistemas de reação contendo metano, a vaporização do metano constitui uma reação de formação de espuma e um processo endotérmico.

04: As reações que levam à formação de constituintes de espuma são conhecidas como reações de gelificação, abrangendo todas as reações, exceto as reações de produção de gás. Isso inclui a formação de uretano, ureia, isocianurato e biureto (poliureia) nas reações 1 a 4.