Muitos fatores afetam o processo de formação de espuma e a qualidade do produto final na fabricação de espuma flexível de poliuretano. Entre estes, fatores ambientais naturais como temperatura, umidade do ar e pressão atmosférica desempenham papéis cruciais. Esses fatores influenciam significativamente a densidade, dureza, taxa de alongamento e resistência mecânica da espuma.

1. Temperatura:

A reação de formação de espuma de poliuretano é altamente sensível, sendo a temperatura um fator chave de controle. À medida que a temperatura do material aumenta, a reação de formação de espuma acelera. Em formulações sensíveis, temperaturas excessivamente altas podem representar riscos como queima do núcleo e ignição. Geralmente, é essencial manter temperaturas consistentes para componentes de poliol e isocianato. O aumento da temperatura leva a uma diminuição correspondente na densidade da espuma durante a formação de espuma.

Particularmente no verão, as temperaturas elevadas aumentam a velocidade de reação, resultando na diminuição da densidade e dureza da espuma, aumento da taxa de alongamento e, ainda, maior resistência mecânica. Para contrariar a redução da dureza, é aconselhável ajustar o índice TDI. Os fabricantes devem ajustar os parâmetros do processo de acordo com as variações sazonais e regionais de temperatura para garantir a estabilidade da qualidade do produto.  

2. Umidade do ar:

A umidade do ar também afeta o processo de formação de espuma da espuma flexível de poliuretano. A umidade mais elevada causa reações entre os grupos isocianato na espuma e a umidade transportada pelo ar, levando à redução da dureza do produto. O aumento da dosagem de TDI durante a formação de espuma pode compensar este efeito. No entanto, a umidade excessiva pode aumentar as temperaturas de cura, podendo causar queimaduras no núcleo. Os fabricantes precisam ajustar cuidadosamente as formulações e os parâmetros do processo de espuma em ambientes úmidos para garantir a qualidade e estabilidade do produto.

3. Pressão atmosférica:

A pressão atmosférica é outro fator de influência, especialmente em áreas em diferentes altitudes. Usar a mesma formulação em altitudes mais elevadas resulta em densidade de produto de espuma relativamente menor. Isto se deve às variações da pressão atmosférica que afetam a difusão e expansão do gás durante a formação de espuma. Os fabricantes que operam em regiões de grande altitude devem tomar nota disso e podem precisar ajustar formulações ou parâmetros de processo para atender aos requisitos de qualidade.

Concluindo, os fatores ambientais naturais impactam significativamente o processo de formação de espuma e a qualidade do produto final da espuma flexível de poliuretano. Os fabricantes devem ajustar os parâmetros do processo com base nas condições sazonais, regionais e ambientais para garantir densidade, dureza e resistência mecânica estáveis ​​da espuma, atendendo às demandas e padrões dos clientes.

1. Poliéter

O poliéter, como principal matéria-prima, reage com o isocianato para formar uretano, que é a reação esquelética dos produtos de espuma. Quando o peso molecular aumenta com a mesma funcionalidade, a resistência à tração, o alongamento e a resiliência da espuma aumentam, enquanto a atividade de reação de poliéteres semelhantes diminui. Com o mesmo valor equivalente (peso molecular/funcionalidade), um aumento na funcionalidade acelera a reação, aumenta o grau de reticulação do poliuretano, aumenta a dureza da espuma e reduz o alongamento. A funcionalidade média dos polióis deve estar acima de 2,5; se for muito baixo, a recuperação do corpo de espuma após a compressão é fraca.

Se a quantidade de poliéter utilizada for alta, equivalente a uma redução em outros materiais (TDI, água, catalisadores, etc.), é fácil causar rachaduras ou colapso dos produtos de espuma. Se a quantidade de poliéter utilizada for baixa, o produto de espuma tende a ser duro, com elasticidade reduzida e toque deficiente.

2. Agente de formação de espuma

Geralmente, ao produzir blocos de poliuretano com densidade superior a 21, apenas água (agente espumante químico) é usada como agente espumante. Compostos de baixo ponto de ebulição, como cloreto de metileno (MC), são usados ​​como agentes espumantes auxiliares em fórmulas de baixa densidade ou fórmulas ultramacias.

Agentes espumantes auxiliares reduzem a densidade e a dureza da espuma. Como absorvem parte do calor da reação, a cura é retardada, exigindo um aumento na quantidade de catalisador. Ao absorver o calor, evita-se o perigo de queima do núcleo.

A capacidade de formação de espuma pode ser expressa pelo índice de formação de espuma (o número de partes de água ou número equivalente de água utilizada para 100 partes de poliéter):

SE = m (água) + m (F-11) / 10 + m (MC) / 9 (100 partes de poliéter)

A água, como agente espumante, reage com o isocianato para formar ligações de ureia e libera uma grande quantidade de CO2 e calor. É uma reação de crescimento em cadeia. O excesso de água reduz a densidade da espuma e aumenta a dureza. No entanto, também reduz o tamanho e a resistência dos poros da espuma, reduzindo a sua capacidade de suporte de carga, tornando-os propensos a colapsar ou rachar. O aumento do consumo de TDI leva a mais liberação de calor e a um maior risco de queima do núcleo. Se a quantidade de água exceder 5,0 partes, devem ser adicionados agentes espumantes físicos para absorver parte do calor e evitar a queima do núcleo. Menos água significa uma redução correspondente na quantidade de catalisador utilizado, mas aumenta a densidade.

3. Catalisador

Amina: Geralmente é utilizado A33, que promove a reação entre isocianato e água, ajustando a densidade da espuma, taxa de abertura de bolhas, etc., promovendo principalmente reações de formação de espuma.

Excesso de amina: O produto de espuma racha e há buracos ou bolhas na espuma; Pouca amina: A espuma encolhe, fecha os poros e a parte inferior do produto de espuma fica espessa.

Estanho: Normalmente, é usado octoato de estanho (II) (T-9); O óxido de estanho (IV) (T-19) é um catalisador de reação em gel altamente ativo, promovendo principalmente a reação em gel, ou seja, o estágio posterior da reação.

Demasiado estanho: Gelificação rápida, aumento da viscosidade, fraca resiliência, fraca permeabilidade ao ar, levando ao fenómeno de células fechadas. Aumentar adequadamente sua dosagem pode obter bons plásticos de espuma de células abertas com relaxamento, aumentar ainda mais a dosagem faz com que a espuma se torne gradualmente mais densa, levando ao encolhimento e às células fechadas.

Muito pouco estanho: Gelificação insuficiente, resultando em rachaduras durante a formação de espuma. Podem apresentar fissuras nas bordas ou topos, com rebarbas e má consolidação. A redução da amina ou o aumento do estanho podem aumentar a resistência do filme de espuma polimérica quando uma grande quantidade de gás é gerada, reduzindo assim os fenômenos de ocos ou rachaduras.

Se os plásticos de espuma de poliuretano têm uma estrutura de célula aberta ou fechada ideal depende principalmente se a taxa de reação do gel e a taxa de expansão do gás estão equilibradas durante a formação da espuma. Este equilíbrio pode ser alcançado ajustando os tipos e quantidades de catalisadores de aminas terciárias e estabilizadores de espuma na fórmula.

4. Estabilizador de Espuma (Óleo de Silicone)

Os estabilizadores de espuma são um tipo de surfactante que dispersa bem a poliureia no sistema espumante, atuando como “pontos físicos de reticulação” e aumentando significativamente a viscosidade inicial da mistura de espuma, evitando rachaduras. Por um lado, tem efeito emulsificante, aumentando a miscibilidade entre os componentes do material espumoso. Por outro lado, a adição de surfactantes orgânicos de silício pode reduzir a tensão superficial do líquido, reduzir a energia livre necessária para a dispersão do gás, fazer com que o ar disperso nas matérias-primas nuclee mais facilmente durante a agitação e mistura, facilitar a produção de bolhas finas, ajuste o tamanho dos poros da espuma, controle a estrutura das células da espuma e melhore a estabilidade da espuma. Evita o colapso ou o estouro de bolhas, torna as paredes da espuma elásticas, controla o tamanho dos poros e a uniformidade da espuma. Geralmente, quanto mais agente espumante e POP for usado, maior será a quantidade de óleo de silicone usada.

Alto uso: Aumenta a elasticidade das paredes de espuma na fase posterior, tornando-as menos propensas a estourar, resultando em poros menores e células fechadas.

Baixo uso: A espuma estoura, desmorona após a formação de espuma, poros maiores e fácil formação de espuma.

5. Influência da temperatura

A reação de formação de espuma do poliuretano acelera com o aumento da temperatura do material, o que pode representar risco de queima do núcleo e ignição em formulações sensíveis. Geralmente, as temperaturas dos componentes poliol e isocianato são mantidas constantes. Ao formar espuma, a densidade da espuma diminui à medida que a temperatura do material aumenta. Com a mesma fórmula, se a temperatura permanecer a mesma, mas a temperatura ambiente for elevada no verão, a velocidade de reação aumenta, levando a uma diminuição na densidade e dureza da espuma, um aumento no alongamento e um aumento na resistência mecânica. No verão, o índice TDI pode ser aumentado adequadamente para corrigir a diminuição da dureza.

6. Influência da Umidade do Ar

Com o aumento da umidade, o isocianato da espuma reage com a umidade do ar, causando uma diminuição na dureza. Portanto, quando se forma espuma, a quantidade de TDI pode ser aumentada apropriadamente. A umidade excessiva pode fazer com que a temperatura de cura suba muito, levando à queima do núcleo.

7. Influência da pressão atmosférica

Com a mesma fórmula, a formação de espuma em áreas de grande altitude resulta em menor densidade do produto de espuma.

A mudança química é o processo de produção de novas substâncias após os grupos moleculares de vários reagentes interagirem entre si. Muitas propriedades das substâncias são determinadas por suas estruturas moleculares, e a compreensão das estruturas moleculares e de grupo nos reagentes de poliuretano é instrutiva para a produção.

Os principais indicadores do retardamento de chama padrão britânico são geralmente três: perda de peso térmico (a massa perdida quando um tamanho especificado de esponja é aquecido a uma temperatura especificada por um tempo especificado, com valores menores indicando melhor estabilidade térmica); densidade da fumaça (quantidade de fumaça gerada quando a espuma queima, indicando a facilidade de passagem da luz pela fumaça, sendo melhores quantidades menores de fumaça); e facilidade de combustão (mais difícil é a ignição, com subdivisões adicionais baseadas no tempo de ignição e na taxa de queima).

O TDI (diisocianato de tolueno) possui um anel de benzeno, o MDI (diisocianato de difenilmetano) possui dois anéis de benzeno e o MDI bruto possui vários anéis de benzeno. Os anéis de benzeno são substâncias muito estáveis, necessitando de uma grande quantidade de energia (energia de dissociação de ligações) para serem quebrados. À medida que o número de anéis de benzeno aumenta, a estabilidade térmica da espuma aumenta (MDI bruto > MDI > TDI), tornando-o menos propenso a se decompor quando aquecido. Com mais anéis de benzeno, há mais átomos de carbono na molécula, resultando em mais fumaça quando queimado de forma incompleta (MDI bruto > MDI > TDI). Do exposto, pode-se concluir que quando uma fórmula diminui a quantidade de TDI e aumenta a quantidade de MDI, a estabilidade térmica da espuma será melhorada. É provável que o índice de perda de peso térmico passe no teste padrão britânico, mas a densidade da fumaça, que não é fácil de passar, aumentará. Neste ponto, é aconselhável aumentar adequadamente a quantidade de cianurato de melamina para reduzir a densidade da fumaça.

Quanto maior o peso molecular do poliéter, pior será a estabilidade térmica, mas melhor será a resistência ao fogo. Na produção de espuma retardadora de chama de alto rebote, a quantidade de retardante de chama adicionada é apenas dois terços da espuma retardadora de chama de densidade regular, mas o retardador de chama permanece muito bom e não acende. No entanto, a espuma retardadora de chama de alto rebote é mais difícil de passar no teste padrão britânico do que a espuma normal (é difícil passar na perda de peso térmico).

Os retardadores de chama não são muito estáveis ​​quando aquecidos. Como o teste padrão britânico enfatiza a perda térmica de peso, a quantidade de retardador de chama na fórmula é o mínimo necessário para passar no teste de retardamento de chama.

Quando o teor de TDI e de água na fórmula diminui enquanto o teor de metano aumenta, é menos provável que a espuma se incendeie. A diminuição das propriedades intrínsecas devido à redução dos segmentos duros resulta na diminuição da estabilidade térmica, reduzindo assim a capacidade de passar o índice de perda de peso térmico.

Quando a densidade da espuma diminui, o teor de TDI aumenta e tanto a densidade da fumaça quanto a estabilidade térmica aumentam.

Materiais inorgânicos como carbonato de cálcio e sulfato de bário não se decompõem quando aquecidos durante os testes do padrão britânico, mas sua adição não melhora as propriedades da espuma, portanto não são usados ​​na fórmula do padrão britânico.

B além de selecionar matérias-primas, alcançar um equilíbrio também é crucial para cumprir os padrões britânicos. Por exemplo, tanto o TDI quanto os retardadores de chama, se administrados em excesso ou em quantidade insuficiente, dificultam a aprovação no teste. A formação de espuma é uma ciência equilibrada, ajustar a fórmula é buscar equilíbrio, e selecionar matérias-primas também é buscar equilíbrio.

A reação da espuma PU é baseada em dois componentes químicos principais: poliéter polióis e isocianatos, juntamente com outros aditivos, incluindo água, diclorodifluorometano, estabilizadores de espuma e catalisadores. Esses materiais são misturados instantânea e vigorosamente, reagindo para formar espuma, processo que gera uma quantidade considerável de calor.

A espuma plástica é um material poroso com uma grande área superficial. Embora o calor gerado nas bordas da espuma possa se dissipar, o calor na parte central, devido ao efeito isolante da espuma, é mais difícil de remover. Numa reação típica, o calor liberado aumenta a temperatura do centro do bloco de espuma para conseguir a cura. Foi observado que dentro de 2 a 6 horas após a formação de espuma, as temperaturas podem subir para 140-160 ° C, e às vezes até mais alto, em torno 180 ° C. Se a temperatura continuar a subir, pode causar queimaduras no núcleo, fumaça e até combustão espontânea.

Além disso, a exposição prolongada da espuma de poliuretano à luz solar pode desencadear uma reação de auto-oxidação, causando degradação do polímero, descoloração, fragilização e diminuição das propriedades físicas, tornando-o inutilizável. Desde a industrialização do poliuretano, a queima e o envelhecimento do núcleo têm sido temas importantes de pesquisa e preocupação na indústria do poliuretano.

Os antioxidantes são aditivos cruciais na produção de espuma de poliuretano. Antioxidantes adequados previnem a decomposição de polióis, reduzem a formação de subprodutos, diminuem o risco de queima do núcleo e podem retardar o envelhecimento termo-oxidativo durante o uso do produto, prolongando assim a sua vida útil. Os antioxidantes comumente usados ​​para espuma de PU são normalmente líquidos e se enquadram em três categorias: aminas aromáticas (como 5057), fenóis impedidos (como 1135) e ésteres de fosfito (como PDP). Para aplicações com baixos requisitos de cor, geralmente é utilizada uma combinação de aminas aromáticas e fenóis impedidos, enquanto aplicações com requisitos de cor mais elevados podem utilizar uma combinação de fenóis impedidos e ésteres de fosfito.

Além disso, se os produtos forem frequentemente expostos à luz solar, deve ser adicionada uma certa quantidade de estabilizadores UV para melhorar a vida útil e a resistência ao amarelecimento. Os estabilizadores de UV consistem principalmente em absorvedores de UV e estabilizadores de luz de aminas impedidas (HALS). Absorventes de UV, como benzotriazóis, benzofenonas e triazinas, absorvem a radiação UV prejudicial e a convertem em calor por meio de transferência intramolecular de ligações de hidrogênio ou isomerização cis-trans. HALS refere-se a aminas com dois grupos metil em cada α -átomo de carbono, que, após a fotooxidação, se transforma em radicais nitrosos. Esses radicais são considerados componentes estáveis ​​que podem capturar radicais livres, regenerar radicais nitrosos ao reagir com radicais peróxidos. Os agentes bloqueadores de UV incluem negro de fumo, óxido de zinco, dióxido de titânio e outros pigmentos, que são usados ​​como corantes. Esses agentes utilizam sua alta dispersibilidade e poder de cobertura para refletir a radiação UV prejudicial, protegendo o polímero.

Você já se perguntou como a espuma plástica de poliuretano é formada? No artigo anterior, revelamos as reações básicas por trás disso: isocianatos, poliéteres (ou poliésteres) polióis e água, todos trabalham juntos para criar esta substância mágica. Então, isso significa que na produção real precisamos apenas dessas três matérias-primas? A resposta está longe disso. Em nosso processo de produção real, para controlar com mais precisão a taxa de reação e produzir produtos com excelente desempenho, muitas vezes precisamos aproveitar o poder de vários aditivos. Esses aditivos não só têm aplicações amplas, mas também podem desempenhar um papel importante para tornar nosso processo de produção mais eficiente e estável.

Surfactantes / Óleo de Silicone

Os surfactantes, também conhecidos como óleo de silicone, também são chamados de estabilizadores de espuma. No processo de produção da espuma de poliuretano, seu papel é crucial. A função básica do óleo de silicone é reduzir a tensão superficial do sistema de formação de espuma, melhorando assim a miscibilidade entre os componentes, ajustando o tamanho das bolhas, controlando a estrutura da bolha e aumentando a estabilidade da espuma. Além disso, também tem a responsabilidade de prevenir o colapso da espuma. Portanto, pode-se dizer que o óleo de silicone desempenha um papel indispensável na produção de espuma de poliuretano.

Catalisadores

Os catalisadores desempenham um papel crucial no processo de síntese do poliuretano, principalmente por acelerar a reação entre isocianatos, água e polióis. Esta reação é uma reação de polimerização típica. Sem a presença de catalisadores, esta reação pode prosseguir muito lentamente ou mesmo não ocorrer. Atualmente, os catalisadores no mercado são divididos principalmente em dois tipos: catalisadores de amina e catalisadores de metal orgânico. Os catalisadores de amina são compostos baseados em átomos de nitrogênio, que podem efetivamente promover a reação de polimerização do poliuretano. Os catalisadores metálicos orgânicos, por outro lado, são compostos que afetam particularmente a reação entre polióis e isocianatos na formação de poliuretano, geralmente compostos organoestânicos. A característica desses catalisadores está na capacidade de controlar com precisão o processo reacional, resultando em um produto final mais uniforme e estável.

Agentes de sopro

Agentes de expansão são substâncias que geram gás durante a reação do poliuretano e ajudam a formar espuma. Dependendo da forma como o gás é gerado, os agentes de expansão são geralmente divididos em agentes de expansão químicos e agentes de expansão físicos. Agentes de expansão químicos referem-se a substâncias que sofrem alterações químicas durante a reação, geram gás e promovem a formação de espuma. Muitas substâncias comuns em nossas vidas diárias são, na verdade, agentes de expansão químicos, como a água. Os agentes de expansão físicos, por outro lado, são substâncias que geram gás por meios físicos. Por exemplo, o diclorometano (MC) é um agente de expansão físico comum.

Outros aditivos

Depender apenas de matérias-primas básicas está longe de ser suficiente para fazer com que os produtos tenham um desempenho excepcional. Para atender a diversas necessidades, outros aditivos são incorporados de forma inteligente ao processo de produção e seu papel não deve ser subestimado. Por exemplo, os retardadores de chama podem adicionar resistência à chama aos produtos, os agentes de reticulação podem melhorar a sua estabilidade, os corantes e os enchimentos podem dar aos produtos uma aparência e textura mais coloridas, e vários outros aditivos com diferentes funções também desempenham o seu papel. São esses aditivos cuidadosamente selecionados que melhoram de forma abrangente o desempenho dos produtos e proporcionam aos usuários uma melhor experiência de uso.