Em dezembro de 2021, recebemos uma consulta do Sr. Hairun na Malásia. Sr. Hairun é um fabricante de colchões que precisa produzir espuma recolocada. Ele tinha conhecimento limitado sobre uso e seleção de máquinas e não tinha experiência anterior com o processo de produção. Portanto, ele precisava de orientação de especialistas que pudessem auxiliá-lo desde o início.



Explicamos sistematicamente os princípios da produção de espuma ao Sr. Hairun, juntamente com os materiais e equipamentos necessários. Também o levamos para conhecer nossa fábrica para fornecer uma compreensão clara de todo o processo de produção.



Depois de entender o Sr. Dadas as preferências de Hairun pela espuma recolocada, incluindo densidade, maciez e preços de mercado, oferecemos a ele a solução de produção de espuma mais adequada. Também fornecemos informações sobre os custos de produção de espuma e comparamos os preços das matérias-primas para sua referência.



Com base nas necessidades do cliente, no orçamento e no layout de fábrica existente, elaboramos uma configuração econômica da máquina e um plano de layout para suas instalações, incluindo uma avaliação dos custos iniciais.



Depois que as máquinas foram instaladas com sucesso, nossa equipe de engenheiros forneceu ao Sr. Hairun com treinamento individual de produção de espuma. Ao produzir com sucesso a espuma que desejava pela primeira vez, ele nos ligou e disse: "Estou feliz de chorar, muito obrigado!" Posteriormente, ele comprou de nós uma máquina de espuma em lote e continuou a encomendar materiais químicos de espuma de nossa empresa.

Condições de teste:


1. A formação rápida de espuma é retirada do centro da espuma, enquanto as amostras de espuma moldada são retiradas da parte central ou para testes de amostra inteira.


2. A espuma recém-fabricada deve ser amadurecida por 72 horas em seu estado natural antes da amostragem. As amostras devem ser colocadas em um ambiente constante de temperatura e umidade (conforme GB/T2918: 23
±
2
℃

, humidade relativa 50
±
5%).



Densidade

: Densidade = Massa (kg) / Volume (m3)



Dureza

: Deflexão de carga de indentação (ILD), Deflexão de carga de compressão (CLD)


A principal diferença entre esses dois métodos de teste é a área de carregamento da espuma plástica. No teste ILD a amostra é submetida a uma área comprimida de 323 cm2, enquanto no CLD toda a amostra é comprimida. Aqui, discutiremos apenas o método de teste ILD.


No teste ILD, o tamanho da amostra é 38*38*50mm, com diâmetro da cabeça de teste de 200mm (com canto redondo de R=10 na borda inferior) e placa de suporte com furos de 6mm espaçados de 20mm. A velocidade de carregamento da cabeça de teste é (100
±
20) mm/min. Inicialmente, uma pressão de 5N é aplicada como ponto zero, depois a amostra é comprimida até 70% de sua espessura no ponto zero e descarregada na mesma velocidade. Este carregamento e descarregamento são repetidos três vezes como pré-carregamento e imediatamente comprimidos na mesma velocidade. As espessuras de compressão são 25
±
1% e 65
±
1%. Depois de atingir a deformação, segure por 30
±
1s e registre o valor de recuo relativo. O valor registrado é a dureza da indentação naquele nível de compressão.


Além disso, 65% ILD / 25% ILD = Taxa de Compressão, que é uma medida do conforto da espuma.



Resistência à tração, alongamento na ruptura

: Refere-se à tensão máxima de tração aplicada durante o teste de tração até a fratura e ao alongamento percentual da amostra na fratura.


Resistência à tração = Carga na fratura / Área da seção transversal original da amostra


Alongamento na Ruptura = (Distância de Fratura - Distância Original) / Distância Original * 100%



Resistência ao rasgo

: Mede a resistência do material ao rasgo aplicando uma força de rasgo especificada em uma amostra de formato definido.


Tamanho da amostra: 150*25*25mm (GB/T 10808), com a direção da espessura da amostra como a direção de subida da espuma. Uma incisão de 40 mm de comprimento é feita ao longo da direção da espessura (direção de subida da espuma) no centro de uma extremidade da amostra. Meça a espessura ao longo da direção da espessura da amostra, depois abra a amostra e prenda-a no dispositivo da máquina de teste. Aplique carga a uma velocidade de 50-20mm/min, utilizando uma lâmina para cortar a amostra, mantendo a lâmina na posição central. Registre o valor máximo quando a amostra quebrar ou rasgar em 50 mm.


Resistência ao rasgo = Valor máximo da força (N) / Espessura média da amostra (cm)


Normalmente, três amostras são testadas e a média aritmética é obtida.



Resiliência

: Mede o desempenho de rebote da espuma, permitindo que uma bola de aço de determinado diâmetro e peso caia livremente sobre a superfície da amostra de espuma plástica a partir de uma altura especificada. A relação entre a altura do rebote e a altura de queda da bola de aço indica a resiliência da espuma.


Requisitos de teste: Tamanho da amostra 100*100*50mm, a direção de queda da bola deve ser consistente com a direção de uso da espuma. O tamanho da esfera de aço é

∮

164 mm, peso 16,3 ge cai de uma altura de 460 mm.


Taxa de resiliência = Altura de rebote da bola de aço / Altura de queda da bola de aço * 100%


Nota: As amostras devem ser horizontais, a esfera de aço deve ser fixada antes de cair (estática), cada amostra é testada três vezes com intervalos de 20s, e o valor máximo é registrado.



Deformação Permanente por Compressão

: Em um ambiente constante, a amostra de material de espuma é mantida sob deformação constante por um determinado período, depois recuperada por um período de tempo, observando o efeito da deformação na espessura da amostra. A razão entre a diferença entre a espessura inicial e a espessura final da amostra e a espessura inicial representa a deformação permanente por compressão da espuma plástica.


Deformação Permanente por Compressão = (Espessura Inicial da Amostra - Espessura Final da Amostra) / Espessura Inicial da Amostra * 100



Resistência ao fogo



VOC (compostos orgânicos voláteis)

A queima de espuma é um fenômeno comum encontrado na produção real de espuma. Abaixo estão as razões por trás desse problema, juntamente com possíveis soluções:



(1) Problemas com a qualidade dos poliéter polióis:
Durante a produção e transporte, o teor de água do produto ultrapassa o padrão, há excesso de peróxidos e impurezas de baixo ponto de ebulição, a concentração de íons metálicos é muito alta e há seleção e concentração inadequada de antioxidantes.



(2) Formulação:
Em formulações de baixa densidade, o índice TDI é muito alto, a proporção de água para agentes de expansão físicos no agente espumante é inadequada, a quantidade de agente de expansão físico é insuficiente e há teor excessivo de água.



(3) Impacto climático:
No verão, as altas temperaturas levam à lenta dissipação de calor, altas temperaturas do material, alta umidade do ar e a temperatura no centro de reação excede a temperatura antioxidante.



(4)

Armazenamento inadequado:
Quando o índice TDI aumenta, a energia térmica acumulada durante a pós-maturação provoca um aumento na temperatura interna, levando à queima.

Em espumas flexíveis de poliuretano, o diclorometano (MC) é frequentemente usado para ajustar a densidade e a dureza da espuma. Com ponto de ebulição de apenas 40.4
°
C, durante a formação de espuma, a reação da água e do TDI gera uma grande quantidade de calor, fazendo com que o MC evapore em gás, expandindo assim o corpo da espuma e reduzindo a densidade da espuma.



A vaporização do MC consome muito calor, o que pode afetar o processo de formação de espuma da espuma em alguns casos. As duas figuras a seguir mostram as mudanças na temperatura máxima da espuma e o tempo para alcançá-la após a adição de diferentes quantidades de MC a uma fórmula específica.



A partir dos gráficos, pode-se observar que após a adição de MC, a temperatura máxima da espuma diminui significativamente e o tempo para atingir a temperatura máxima também aumenta.



Estas são apenas alterações nos dados, mas como elas se manifestam durante o processo de formação de espuma? Para entender isso, vejamos brevemente o processo de reação do poliuretano.



A principal reação na espuma de poliuretano é a reação da água e do isocianato para produzir dióxido de carbono e amina, e a reação do poliéter poliol e isocianato para produzir poliuretano. No entanto, existem muitas reações secundárias, resumidas como reações que geram uretano e reações que geram ureia.



As reações secundárias alteram a estrutura molecular do polímero de linear para reticulada. Devido às diferentes condições de reação e matérias-primas, a estrutura do poliuretano pode variar muito. Em geral, quanto mais reações secundárias, mais complexa é a estrutura reticulada, resultando em maior dureza e melhor resistência ao rasgo. Claro que a resistência ao amarelecimento também melhora, mas isso é outro assunto. Aumentar o índice de formação de espuma fortalecerá as reações secundárias.



Dito isso, o que isso tem a ver com MC? As reações secundárias são todas reações endotérmicas, exigindo absorção de calor. Porém, a vaporização do MC também requer uma grande quantidade de calor, criando assim uma relação competitiva. A adição de uma grande quantidade de MC enfraquecerá significativamente as reações secundárias, aumentando a proporção de estruturas lineares na espuma, tornando-a mais macia e diminuindo a plasticidade térmica.



Mesmo em temperaturas mais frias durante o inverno, deve-se prestar atenção a esta questão. Aumentar adequadamente o teor de água na fórmula para gerar mais calor ajuda a manter as propriedades físicas da espuma sem alterações significativas.

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.