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.

Há muitas razões para a rachadura da espuma de poliuretano, incluindo fatores químicos e mecânicos. Durante a produção, é importante parar e inspecionar, certificando-se de eliminar o fenômeno de rachaduras. Abaixo estão alguns insights que resumimos com base em anos de experiência em produção, na esperança de inspirar a todos.


1.
Mudanças repentinas


Mudanças repentinas na velocidade do transportador, variações no uso do catalisador ou operação irregular do transportador podem causar rachaduras na espuma. Ajuste as situações acima com cuidado e gradualmente. Uma mudança significativa na velocidade do transportador pode levar a grandes rachaduras nos blocos de espuma.


2
Filme de Polietileno


Se o filme parar de se mover por algum motivo, a espuma entrará em contato com a superfície estática, causando rachaduras. Se essa situação ocorrer, verifique o rolo de enrolamento do rebobinador e examine a separação do filme na área de cura.


3
Espuma se formando ao redor de certas substâncias


A espuma tende a se formar ao redor de certas substâncias, especialmente na calha de alimentação, o que pode facilmente causar rachaduras.


Antes da produção, certifique-se de que não haja resíduos ou detritos na montagem do cabeçote de mistura, na mangueira de alimentação e na calha de descarga.


4
Amina Excessiva


Quando há octoato estanoso insuficiente, o excesso de amina pode levar ao mesmo efeito e acelerar o tempo de subida. Portanto, a dosagem de amina deve ser reduzida.


5
Octoato estanoso insuficiente


Devido à reação de formação de espuma mais rápida em comparação à reação de polimerização, um pouco de espuma pode fluir, causando rachaduras. Portanto, a quantidade de octoato estanoso deve ser aumentada.


6
Óleo de silicone


A formação de espuma se torna instável e propensa a rupturas, podendo formar "depressões" na espuma, por isso é necessário aumentar a dosagem de óleo de silicone.


7
Estrutura de pequenas bolhas de ar


Paredes finas de espuma devido à formação de espuma podem causar rachaduras. Para resolver esse problema de forma abrangente: reduza o teor de ar, diminua a velocidade do cabeçote de mistura ou aumente a pressão do cabeçote de mistura. Também é necessário alterar a dosagem do catalisador octoato estanoso.

1. Reações Básicas



A formação da espuma de poliuretano envolve duas reações básicas: reação de formação de espuma e reação de polimerização (também chamada de reação de gel).



Reação de formação de espuma: O isocianato reage com a água para produzir uma reação de uréia dissubstituída e dióxido de carbono. A equação da reação é a seguinte:



2R-N=C=O + HOH
→

R-NH-CO-NH-R + CO2

↑



O dióxido de carbono liberado atua como núcleo da bolha, fazendo com que a mistura reacional se expanda, resultando em espuma com estrutura de células abertas.



Reação de polimerização: O grupo hidroxila no poliéter sofre uma reação de polimerização gradual com isocianato para formar um aminoformato. A equação da reação é a seguinte:



R=N=C=O + R

&principal;

-OH
→

R-NH-COO
—
R
&principal;



2. Polióis



A produção doméstica de espuma em bloco usa poliéteres de espuma macia com 3 funcionalidades e peso molecular 3.000 (valor de hidroxila 56) ou 3.500 (valor de hidroxila 48, menos comumente usado).



3. Poliisocianatos



O principal poliisocianato utilizado é o diisocianato de tolueno (TDI). Existem três tipos principais de produtos industriais TDI: 2,4-TDI puro (ou TDI100), TDI80/20 e TDI65/35. O TDI80/20 tem o menor custo de produção e é a variedade mais utilizada em aplicações industriais.



O peso molecular do TDI é 174, com dois grupos isocianato (-N=C=O) tendo um peso molecular de 84. Portanto, o teor de isocianato no TDI é de 48,28%.



A quantidade de TDI utilizada tem um impacto significativo nas propriedades da espuma. Nas formulações de espuma, o excesso de TDI é expresso como o índice de isocianato, que é a razão entre o uso real e a quantidade teórica calculada. Ao produzir espuma macia, o índice é geralmente 105-115 (100 é igual ao valor teórico calculado). Dentro desta faixa, à medida que o índice TDI aumenta, a dureza da espuma aumenta, a resistência ao rasgo diminui, a resistência à tração diminui e o alongamento na ruptura diminui. Se o índice TDI for muito alto, pode levar a células grandes e fechadas, longos tempos de maturação e queima de espuma; se o índice TDI for muito baixo, pode causar rachaduras, recuperação deficiente, baixa resistência e deformação permanente por compressão significativa.



4. Agentes de sopro



A água reagindo com o TDI para produzir dióxido de carbono é o principal agente de expansão usado na formação de espuma macia. Aumentar a quantidade de água na formulação aumentará o teor de ureia, aumentará a dureza da espuma, diminuirá a densidade da espuma e reduzirá a capacidade de suporte de carga da espuma. No entanto, o TDI reage com a água para produzir uma grande quantidade de calor. Se o teor de água for muito alto, a espuma pode queimar ou pegar fogo.



O cloreto de metileno é um agente de expansão físico com ponto de ebulição de 39.8
°
C. É um gás não inflamável que pode vaporizar durante a formação de espuma, reduzindo a densidade e a dureza da espuma. A quantidade de cloreto de metileno adicionada deve evitar a queima da espuma, garantindo ao mesmo tempo que muito não remove muito calor, afetando a cura da espuma. A quantidade de cloreto de metileno utilizada é limitada.



5. Catalisadores



O principal papel dos catalisadores é ajustar a velocidade das reações de formação de espuma e gel para alcançar um bom equilíbrio.



A trietilenodiamina (A33, uma solução a 33% de éter diisopropílico ou dipropilenoglicol) é o catalisador de amina terciária mais importante na produção de espuma macia. É 60% eficaz na promoção da reação entre isocianato e água, ou seja, reação de formação de espuma, e 40% eficaz na promoção da reação entre hidroxila e isocianato, ou seja, reação em gel.



O dilaurato de dibutilestanho (A-1) é um catalisador de amina terciária de uso geral para espuma macia. É 80% eficaz na promoção da reação de formação de espuma e 20% eficaz na promoção da reação do gel. É frequentemente usado em combinação com trietilenodiamina.



O uso inadequado de catalisadores de amina pode ter um impacto significativo no produto. Muita amina pode causar:



(1) Tempo de reação curto, aumento rápido na viscosidade inicial e fumo excessivo durante a formação de espuma.


(2) Rachaduras de espuma. Pouca amina resultará em velocidade de iniciação lenta, afetando a altura da espuma.



O dilaurato de dibutilestanho é o catalisador de estanho orgânico mais comumente usado, que é muito fácil de hidrolisar e oxidar na presença de água e catalisadores de amina terciária em misturas de poliéter.



Quanto menor for a densidade da espuma, mais estreita será a faixa ajustável do dilaurato de dibutilestanho. O efeito da dosagem de estanho na espuma é o seguinte:



Dosagem muito baixa: rachaduras na espuma.



Dosagem excessiva: Aumento rápido da viscosidade, espuma formando células fechadas e encolhendo, formando películas na parte superior e nas laterais.



6. Estabilizadores de espuma (também chamados de óleos de silicone)



Os estabilizadores de espuma reduzem a tensão superficial da mistura do sistema de espuma, estabilizando assim as bolhas, evitando o colapso da espuma e controlando o tamanho e a uniformidade dos vazios.



Aumentar a quantidade de óleo de silicone da quantidade mínima para um nível apropriado pode produzir espuma plástica bem aberta. Quando a quantidade é muito alta, a taxa de células fechadas da espuma aumenta.



7. Outros fatores de influência



Além da formulação, os parâmetros do processo e o ambiente também têm um certo impacto nas propriedades da espuma.



Temperatura da matéria-prima: Sob temperaturas ambientes relativamente normais (20-28
°
C), a temperatura da matéria-prima é controlada em 25
±
3°
C, de preferência dentro de uma faixa de
±
1°
C. Também pode ser controlado dentro da faixa de 28-30
°
C.



O efeito do aumento ou diminuição da temperatura na velocidade das reações de formação de espuma e gel varia. Um aumento na temperatura resulta num aumento muito maior na reação de polimerização em comparação com a reação de formação de espuma. Os catalisadores precisam ser ajustados para mudanças de temperatura.



Para a mesma formulação, utilizando a mesma quantidade de agente de expansão, a densidade da espuma também está relacionada com a altitude. Em áreas de grande altitude, a densidade da espuma diminui sensivelmente.

Em espumas flexíveis de poliuretano, o diclorometano (MC) é frequentemente usado para ajustar a densidade e a dureza da espuma. Com ponto de ebulição de apenas 40.4
°
C, durante a formação de espuma, a reação da água e do TDI gera uma grande quantidade de calor, fazendo com que o MC evapore em gás, expandindo assim o corpo da espuma e reduzindo a densidade da espuma.



A vaporização do MC consome muito calor, o que pode afetar o processo de formação de espuma da espuma em alguns casos. As duas figuras a seguir mostram as mudanças na temperatura máxima da espuma e o tempo para alcançá-la após a adição de diferentes quantidades de MC a uma fórmula específica.



A partir dos gráficos, pode-se observar que após a adição de MC, a temperatura máxima da espuma diminui significativamente e o tempo para atingir a temperatura máxima também aumenta.



Estas são apenas alterações nos dados, mas como elas se manifestam durante o processo de formação de espuma? Para entender isso, vejamos brevemente o processo de reação do poliuretano.



A principal reação na espuma de poliuretano é a reação da água e do isocianato para produzir dióxido de carbono e amina, e a reação do poliéter poliol e isocianato para produzir poliuretano. No entanto, existem muitas reações secundárias, resumidas como reações que geram uretano e reações que geram ureia.



As reações secundárias alteram a estrutura molecular do polímero de linear para reticulada. Devido às diferentes condições de reação e matérias-primas, a estrutura do poliuretano pode variar muito. Em geral, quanto mais reações secundárias, mais complexa é a estrutura reticulada, resultando em maior dureza e melhor resistência ao rasgo. Claro que a resistência ao amarelecimento também melhora, mas isso é outro assunto. Aumentar o índice de formação de espuma fortalecerá as reações secundárias.



Dito isso, o que isso tem a ver com MC? As reações secundárias são todas reações endotérmicas, exigindo absorção de calor. Porém, a vaporização do MC também requer uma grande quantidade de calor, criando assim uma relação competitiva. A adição de uma grande quantidade de MC enfraquecerá significativamente as reações secundárias, aumentando a proporção de estruturas lineares na espuma, tornando-a mais macia e diminuindo a plasticidade térmica.



Mesmo em temperaturas mais frias durante o inverno, deve-se prestar atenção a esta questão. Aumentar adequadamente o teor de água na fórmula para gerar mais calor ajuda a manter as propriedades físicas da espuma sem alterações significativas.