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 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 incidentes anuais de incêndio, uma proporção significativa de ignições é causada por espuma, incluindo incêndios em sofás e diversas ignições provenientes de embalagens flexíveis. Esses incidentes ocorrem com muita frequência. Como podemos eliminar ou reduzir fundamentalmente tais eventos?

Uma abordagem eficaz é começar a partir dos materiais de origem, da mesma forma que tratamos a causa raiz de uma doença. Adicionar retardadores de chama à espuma de poliuretano pode prevenir eficazmente a ignição.

Agora, vamos entender a espuma retardante de chamas:

A espuma retardante de chama, também conhecida como espuma resistente ao fogo, tem o nome químico de material de espuma de poliuretano, que é dividido em espuma macia (usada principalmente para móveis) e espuma rígida (usada principalmente para isolamento). Geralmente, é um material à prova de fogo sintetizado pela adição de vários retardadores de chama ao poliuretano.

O efeito retardante de fogo do produto atende aos requisitos da norma ASTM 117 e das normas nacionais. O método de uso é igual ao da espuma normal.

A combustão de polímeros é uma reação de oxidação muito complexa e intensa. O processo ocorre quando o polímero é continuamente aquecido por uma fonte externa de calor, iniciando uma reação em cadeia de radicais livres com o oxigênio do ar. Isto libera algum calor, intensificando ainda mais a degradação do polímero, gerando mais gases inflamáveis ​​e tornando a combustão mais severa.

Existem dois métodos para retardar a chama de espuma resistente ao fogo:

Uma delas é introduzir quimicamente elementos ou grupos retardadores de chama contendo novos elementos retardadores de chama na estrutura molecular da espuma. O outro método é adicionar compostos contendo elementos retardadores de chama à espuma. O primeiro método utiliza substâncias retardadoras de chama chamadas retardadores de chama reativos, enquanto o último método utiliza substâncias chamadas retardadores de chama aditivos.

Atualmente, a grande maioria dos retardadores de chama usados ​​em espumas são retardadores de chama aditivos, enquanto os retardadores de chama reativos são usados ​​principalmente em resinas termoendurecíveis, como resinas epóxi e poliuretanos. A principal função dos retardadores de chama é interferir nos três elementos básicos necessários para a combustão: oxigênio, calor e combustível. Isso geralmente pode ser alcançado através dos seguintes meios:

Os retardadores de chama podem produzir gases não inflamáveis ​​mais pesados ​​ou líquidos em ebulição que cobrem a superfície da espuma, interrompendo a ligação entre a oxidação e o combustível.

Ao absorver calor por decomposição ou sublimação, os retardadores de chama reduzem a temperatura da superfície do polímero.

Os retardadores de chama geram grande quantidade de gases não inflamáveis, diluindo a concentração de gases inflamáveis ​​e oxigênio na área de combustão.

Os retardadores de chama capturam os radicais livres, interrompendo a reação em cadeia de oxidação.

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.

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.