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.

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.

O plástico de espuma macia de poliuretano é um dos produtos importantes na indústria de poliuretano. A sua produção envolve necessariamente a utilização de catalisadores de aminas orgânicas, especialmente catalisadores de aminas terciárias orgânicas. Isso ocorre porque os catalisadores de aminas terciárias orgânicas desempenham um papel significativo nas principais reações de formação de espuma de poliuretano: as reações de dióxido de carbono e de polimerização molecular, promovendo rápida expansão das misturas reacionais, aumento da viscosidade e aumento acentuado do peso molecular do polímero. Essas condições são essenciais para a formação de corpos de espuma, garantindo que as espumas plásticas macias tenham vantagens como baixa densidade, alta relação resistência-peso, alta resiliência e conforto para sentar e deitar. Existem muitos tipos de catalisadores de aminas orgânicas que podem ser usados ​​para plásticos de espuma macia de poliuretano. Entre eles, os catalisadores altamente eficientes reconhecidos por diversos fabricantes são: trietilenodiamina (TDEA) e éter bis(dimetilaminoetílico) (referido como A1). Estes também são os catalisadores de aminas orgânicas mais utilizados no mundo atualmente, com o maior consumo entre vários catalisadores.



Devido às diferenças estruturais moleculares entre os catalisadores TDEA e A1, existem diferenças significativas no seu desempenho catalítico, particularmente nas suas reações ao gás dióxido de carbono e na polimerização molecular. Se o usuário não prestar atenção a essas diferenças na produção, não apenas deixará de produzir produtos de espuma qualificados, mas também será difícil a formação de corpos de espuma. Portanto, compreender e dominar as diferenças de desempenho entre estes dois catalisadores na produção de espuma de poliuretano é de grande importância. O TDEA existe no estado sólido em condições normais, tornando sua aplicação menos conveniente. Na produção real, compostos alcoólicos de baixo peso molecular são comumente usados ​​como solventes, formulados em soluções de 33% para facilidade de uso, comumente chamados de A33. Por outro lado, A1 é um líquido de baixa viscosidade que pode ser aplicado diretamente. Abaixo está uma comparação das diferenças de desempenho catalítico entre A1 e A33 na produção de plásticos de espuma macia de poliuretano.



A33 tem 60% de função catalítica para a reação com gás dióxido de carbono e 40% de função catalítica para polimerização molecular. Possui uma baixa taxa efetiva de utilização de gás dióxido de carbono, resultando em menor altura de formação de espuma e maior densidade de espuma. Como a maior parte da função catalítica é usada para reações de polimerização molecular, é fácil produzir corpos de espuma de células fechadas, que são rígidos e com baixo rebote, e a faixa ajustável de catalisadores de estanho torna-se mais estreita. Para atingir a mesma função catalítica, a quantidade utilizada é 33% maior que A1. Tanto a camada inferior quanto a externa do corpo de espuma são mais espessas. Aumentar a quantidade pode aumentar a velocidade da reação, mas a quantidade de catalisador de estanho deve ser reduzida em conformidade, caso contrário serão produzidos corpos de espuma de células fechadas.



A1 tem uma função catalítica de 80% para a reação com gás dióxido de carbono e uma função catalítica de 20% para polimerização molecular. Possui uma alta taxa efetiva de utilização de gás dióxido de carbono, resultando em maior altura de formação de espuma e menor densidade de espuma. Como a maior parte da função catalítica é usada para reações de geração de gás, é fácil produzir corpos de espuma de células abertas, que são macios e com alto rebote, e a faixa ajustável de catalisadores de estanho torna-se mais ampla. Para atingir a mesma função catalítica, a quantidade utilizada é inferior a A33. Tanto a camada inferior quanto a externa do corpo de espuma são mais finas. Aumentar a quantidade pode aumentar a velocidade da reação, mas a quantidade de catalisador de estanho deve ser aumentada de acordo, caso contrário pode ocorrer excesso de espuma e rachaduras.



Em termos de desempenho geral entre TDEA e A1, A1 tem um desempenho catalítico abrangente mais alto do que a trietilenodiamina. Seus efeitos reais de aplicação também são melhores, embora não tão convenientes quanto a trietilenodiamina em termos de transporte e armazenamento. Atualmente, a grande maioria das instalações mecânicas de produção contínua de espuma utiliza quase exclusivamente A1, enquanto todas as instalações de produção de espuma tipo caixa utilizam TDEA. No entanto, isso não é absoluto. Com uma compreensão clara das diferenças entre os dois e ajustes apropriados na formulação, eles podem ser intercambiáveis ​​e ambos podem produzir excelentes produtos de 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.