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.

Cura fria

Um processo para produção de espuma para assentos, que produz espuma de alta resiliência (conhecida como espuma HR).

Durante este processo, a temperatura do molde está geralmente entre 50-70 graus Celsius; o peso molecular do poliéter está normalmente entre 2500-6500 e o ISO pode ser TDI/TM/MDI.

Este processo possui alta eficiência de produção, baixo consumo de energia e atualmente é amplamente utilizado.

Capacidade da bomba

Usado para verificar a estabilidade da saída de vazão da bomba dosadora.

O método atual para verificar a capacidade da bomba é o seguinte: na vazão definida, disparar continuamente 35 vezes, pesar cada dose e depois calcular a capacidade. Com base na capacidade da bomba, determine se a bomba dosadora precisa de reparo ou substituição. Geralmente, a capacidade da bomba é verificada a cada três meses.

Linearidade da bomba

Uma caracterização da correlação entre a velocidade e a potência da bomba dosadora.

Normalmente, cinco velocidades diferentes são selecionadas para testes de fluxo. A saída da bomba dosadora em cada velocidade é então obtida. Se esses cinco pontos se alinharem em linha reta, isso indica uma boa linearidade entre a velocidade e a saída da bomba dosadora.

NBT (Nova Tecnologia de Mistura)

NBT significa Nova tecnologia de mistura.

A tecnologia de mistura anterior envolvia pulverizar e misturar um ISO com um POL para reagir e produzir espuma de poliuretano. Ao ajustar os parâmetros do processo com este método, apenas a proporção de mistura POL/ISO e o peso da peça fundida puderam ser ajustados, sem outros ajustes possíveis.

NBT envolve pulverizar e misturar um ISO com 2 ou 3 grupos de materiais POLY para reagir e produzir espuma de poliuretano. (O equipamento requer um conversor de frequência)

O NBT pode ajustar as seguintes variáveis: umidade da fórmula, conteúdo de sólidos da fórmula, índice da fórmula, peso de fundição e outras variáveis. Isto permite maior tolerância ao processo na fabricação de espumas de diferentes densidades e durezas.

TPR (liberação de pressão cronometrada)

TPR significa Liberação de Pressão Temporizada, também conhecida como ventilação ou pré-ventilação.

Os parâmetros típicos do TPR são: a ventilação começa em torno de 90-120 segundos após o fechamento do molde, com o saco caindo, ventilando por cerca de 2 segundos e depois o saco subindo novamente.

Fenômenos comuns: A ventilação muito cedo pode resultar em produtos tenros e propensos a rasgar. A ventilação muito tarde pode levar a produtos rígidos, propensos a encolher após a desmoldagem.

Pulverização inicial

No início do vazamento normal, os bicos ISO e POLY são abertos simultaneamente, permitindo que os materiais se misturem na câmara de mistura e reajam para produzir espuma de poliuretano.

Se durante o vazamento os bicos ISO e POLY não abrirem simultaneamente, aquele que abrir primeiro fará com que o material saia da câmara de mistura sem reagir, resultando em material que não reagiu no início da espuma. Se o poliéter sair primeiro, a espuma ficará pegajosa e úmida na parte superior (pulverização inicial suave), enquanto se o ISO sair primeiro, a espuma será crocante, localmente fina (pulverização inicial suave) ou terá manchas ISO (pulverização inicial severa). pulverização).

Fenômenos comuns: Outro caso especial é quando há maciez na área inicialmente vazada, o que também pode ser uma forma de pulverização inicial. Isso pode ser devido ao componente sair primeiro, fazendo com que a espuma no ponto de fluidez inicial fique macia.

Índice de espuma

Quando ISO e POL reagem, se reagem nas quantidades teóricas exatas, é chamada de reação estequiométrica, e o índice de formação de espuma é definido como 100.

Índice de formação de espuma = uso real de ISO/uso teórico de ISO * 100. Atualmente, o índice de formação de espuma para assentos está geralmente entre 90-105.

À medida que o índice de formação de espuma aumenta, a espuma torna-se gradualmente mais dura.

Índice > 105, o produto tende a ser quebradiço; Índice < 85, o produto é propenso ao encolhimento de células fechadas.

Na produção industrial moderna, a espuma flexível de poliuretano desempenha um papel importante em diversas áreas, como móveis, assentos automotivos e palmilhas de calçados. No entanto, os principais pontos de controle técnico para a produção de produtos plásticos de espuma flexível de poliuretano de alta qualidade não podem ser negligenciados. Aqui estão vários pontos técnicos importantes no processo de produção:

Controle de Diisocianato de Tolueno (TDI):

A proporção isomérica ideal de TDI é 80/20. Se esta proporção for ultrapassada, pode levar à formação de células grandes e fechadas na espuma, prolongando o tempo de cura. Particularmente na produção de produtos de espuma de baixa densidade em blocos grandes, uma proporção isomérica excessiva pode atrasar a liberação de calor, potencialmente fazendo com que a temperatura central da espuma permaneça alta por um longo tempo, levando à carbonização e até mesmo à ignição. Se a proporção isomérica for muito baixa, a densidade e a resiliência do produto de espuma diminuirão e podem aparecer rachaduras finas na superfície da espuma, resultando em baixa repetibilidade do processo.

Adição de agentes de expansão externos:

Agentes de expansão externos (água) não apenas reduzem a densidade da espuma, mas também melhoram a maciez do produto e ajudam a remover o calor da reação. Para evitar a carbonização central no processo de formação de espuma de produtos de espuma de grandes blocos, geralmente é adicionada uma certa quantidade de água. Contudo, à medida que a quantidade de água aumenta, a quantidade de catalisador também deverá aumentar correspondentemente; caso contrário, poderá prolongar o tempo de pós-cura da espuma. Geralmente, para cada aumento de 5 partes de água, devem ser adicionadas 0,2 a 0,5 partes de óleo de silicone.

Razão Catalisadora:

Catalisadores orgânicos de estanho e amina terciária são comumente usados ​​para controlar as reações NCO-OH e NCO-H2O. Ajustando a proporção de diferentes catalisadores, o crescimento das cadeias poliméricas e a reação de formação de espuma podem ser controlados. Sob certas densidades de produto, a escolha da proporção de catalisador apropriada pode controlar a taxa de células abertas da espuma, o tamanho das células e o valor da carga vazia. Aumentar a quantidade de catalisador de estanho orgânico geralmente pode produzir espumas com tamanhos de células menores, mas o uso excessivo pode aumentar a taxa de células fechadas. É necessário determinar a dosagem ideal de catalisador através de experimentos para alcançar o melhor desempenho dos produtos de espuma.

Estabilizadores de Espuma:

O papel dos estabilizadores de espuma é reduzir a tensão superficial do material, tornando a parede do filme de espuma elástica e evitando a ruptura da parede da espuma até que o crescimento da cadeia molecular e as reações de reticulação levem à solidificação do material. Portanto, os estabilizadores de espuma desempenham um papel crítico na produção de esponjas de poliéter de uma etapa e seu uso deve ser rigorosamente controlado.

Controle de temperatura:

A reação de geração de espuma é altamente sensível à temperatura, e mudanças no material e na temperatura da formação de espuma afetarão as operações de formação de espuma e as propriedades físicas. Portanto, o controle da temperatura é uma das condições importantes para garantir processos de formação de espuma estáveis. A temperatura do material é geralmente controlada a 20-25 ° C.

Velocidade e tempo de agitação:

A velocidade e o tempo de agitação afetam a quantidade de energia aplicada durante o processo de formação de espuma. Se a agitação for irregular, um grande número de bolhas pode aparecer na superfície da espuma, causando defeitos como rachaduras. Durante a mistura do Componente A, a velocidade é de 1000 r/min; depois que o Componente B é adicionado ao Componente A, a velocidade de agitação em alta velocidade é de 2800-3500 r/min por 5-8 segundos.

Em resumo, as principais tecnologias para a produção de espuma flexível de poliuretano incluem o controle de TDI, a adição de agentes de expansão externos, o ajuste das proporções do catalisador, o uso de estabilizadores de espuma, o controle de temperatura e o controle da velocidade e do tempo de agitação. O controle adequado desses parâmetros técnicos pode garantir a produção de produtos plásticos de espuma flexível de poliuretano de qualidade estável e alto desempenho.

Os iniciantes estão preocupados com o fato de que, se a placa de assentamento não estiver ajustada corretamente, o líquido que flui para fora do bico pode causar oscilação frontal ou traseira, afetando o processo de formação de espuma. Dentro de dois minutos após ligar a máquina, a velocidade de reação aumenta gradualmente, às vezes exigindo ajustes na placa de assentamento. Os ajustes na placa de sedimentação são mais críticos em fórmulas de baixa densidade e alto teor de umidade (MC).

A vazão de TDI (diisocianato de tolueno) pode ser calculada para corresponder ao valor da escala, mas é recomendado realmente medir a vazão de TDI durante a primeira formação de espuma. A taxa de fluxo é muito importante; se a vazão não for precisa, todo o resto ficará uma bagunça. É melhor confiar no método mais simples e intuitivo de medir a vazão.

Ao misturar pós, o pó de pedra misturado deve ser deixado durante a noite e a produção deve começar no dia seguinte. Para ingredientes que contenham melamina e pó de pedra, recomenda-se primeiro misturar melamina com poliéter por um período de tempo antes de adicionar o pó de pedra.

Fórmulas de máquinas de espuma com câmara de mistura longa na cabeça da máquina ou mais dentes no eixo de agitação geralmente têm menos amina e temperatura do material mais baixa. Por outro lado, fórmulas de máquinas de espuma com câmara de mistura curta no cabeçote da máquina ou menos dentes no eixo de agitação geralmente têm mais amina e temperatura do material mais alta.

Para a mesma fórmula, ao alternar entre cabeçotes giratórios de pulverização dupla e cabeçotes giratórios de pulverização única com áreas de seção transversal de bico semelhantes, os requisitos para espessura de malha e camadas são semelhantes.

Para a calibração do fluxo de material menor, um método é medir o fluxo de retorno do material menor, e o outro é calibrá-lo dividindo a quantidade total utilizada pelo tempo de formação de espuma. Quando houver uma diferença significativa entre os dois métodos de calibração, confie nos dados do segundo método de calibração.

As fórmulas para espuma macia de alta qualidade geralmente estão dentro de uma faixa instável, como baixo índice de TDI, baixa proporção de água para MC, baixa dosagem de T-9 e baixa dosagem de óleo de silicone.