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.

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.

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.

A temperatura interna da espuma é tão indispensável quanto a vitalidade para uma pessoa. Se a temperatura pós-cura da esponja for muito baixa, as suas propriedades físicas não serão ideais e haverá flutuações significativas nestas propriedades.

Uma vez que a espuma esteja bem desenvolvida, sua temperatura interna sobe rapidamente para mais de 120 graus Celsius devido à reação exotérmica que ocorre sob más condições de dissipação de calor, tornando-se um dos riscos de incêndio.

A temperatura interna da espuma é crucial para a formação de suas propriedades superiores. A espuma amadurecida em temperaturas externas específicas exibe propriedades físicas excepcionalmente superiores, como resistência à tração. Alguns calculam a temperatura da espuma por meio de fórmulas, enquanto outros usam software para inserir fórmulas e calcular automaticamente a temperatura interna da espuma. Então, quais fatores influenciam a temperatura interna da espuma? É significativo conhecer esses fatores? É semelhante ao modo como as câmeras dos telefones modernos são de alta resolução, mas isso torna a fotografia profissional inútil? Ajustes como abertura, distância focal e tempo de exposição são inúteis? Para controlar melhor as coisas, é preciso compreender mais as variáveis-chave daquela coisa. Vamos começar com princípios básicos para compreender as mudanças na temperatura interna da espuma.

Primeiro, vamos entender algumas regras básicas.

A temperatura de um espaço é diretamente proporcional à quantidade de energia térmica injetada naquele espaço e inversamente proporcional ao seu tamanho.

Por exemplo, se 10 quilojoules de calor forem distribuídos num espaço de 8 litros, a temperatura desse espaço será de 20 graus Celsius. Se os mesmos 10 quilojoules de calor forem distribuídos em um espaço de 4 litros, a temperatura passa a 40 graus Celsius.

A quantidade de entrada de calor é diretamente proporcional ao valor da entrada de calor e à velocidade da entrada de calor.

Por exemplo, se 100 quilojoules de calor são liberados na velocidade “v”, a entrada de calor é “A”. Se os mesmos 100 quilojoules de calor forem liberados na velocidade de 2 V, a entrada de calor se tornará 2A.

O tamanho de um espaço é diretamente proporcional à temperatura absoluta.

Por exemplo, um espaço de 1 litro a 0 graus Celsius torna-se 1,366 litros a 100 graus Celsius porque (273,15 + 100)/(273,15 + 0) = 1,366.

O tamanho de um espaço é inversamente proporcional à pressão atmosférica.

O atraso na vaporização do metano precisa ser considerado.

A seguir, vamos examinar como o ajuste fino da fórmula afeta a temperatura interna da espuma.

Como se trata de um ajuste fino, estimaremos que o ambiente circundante permanece inalterado antes e depois dos ajustes. Vamos considerar os efeitos do ajuste da água e do metano na temperatura interna da espuma.

Por exemplo, se uma fórmula aumenta o metano em 5%, podemos ter certeza de que a temperatura interna da espuma diminui porque a vaporização do metano absorve calor, reduzindo a entrada de calor para a espuma e aumentando o espaço para acomodar o calor. Da mesma forma, se o teor de água for aumentado em 5%, a água adicionada libera calor após a injeção na espuma, aumentando a entrada de calor, e a reação da água adicionada gera gás, aumentando o espaço para calor. Então, a temperatura interna da espuma aumenta ou diminui neste caso? A experiência indica que a temperatura interna da espuma aumenta. Isto sugere que o aumento da entrada de calor devido a esta mudança contribui mais para o aumento da temperatura interna da espuma do que o gás produzido pela água diluindo a temperatura.

As mudanças envolvendo índice de espuma, liberação de calor e dissipação de calor podem tornar difícil adivinhar intuitivamente se a temperatura interna da espuma aumentará ou diminuirá. Pode ser necessário inserir uma sonda após a formação de espuma para comparar as temperaturas internas ou calcular para chegar a uma conclusão.

Para os cálculos, são necessárias diversas fórmulas (expressões algébricas) derivadas das regras básicas anteriores, juntamente com alguns dados: o calor liberado quando a água reage com o TDI para formar dióxido de carbono em quilojoules por mol, o calor absorvido durante a vaporização do metano em quilojoules por mol . Para estimar a temperatura interna total da espuma, é necessário conhecer o calor liberado durante a formação de amino metil formato, ureia metil formato, uréia e biureto (poliureia), em quilojoules por mol, e a taxa de reação (tempo de reação).

Isto também explica porque a densidade calculada a partir do índice de espuma difere drasticamente dos valores teóricos e reais para espumas sem enchimentos a 50 densidades. Quanto menor a densidade, mais próximos serão os valores teóricos e reais da densidade da espuma.

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.