Quais são os princípios, formulações e aplicações da espuma flexível de poliuretano?

Para produzir espuma de poliuretano flexível de alta qualidade (espuma de PU), é essencial entender seu mecanismo de formação de espuma, cálculos precisos de formulação e a seleção racional de polióis, isocianatos e aditivos. Como um material vital responsável por quase 50% da produção total de poliuretano, a espuma de PU é amplamente utilizada em móveis, automotivo, eletrodomésticos, transporte, aeroespacial e outros campos. Com a inovação tecnológica contínua, especialmente desde o século XXI, o desenvolvimento da espuma de PU tem enfatizado cada vez mais a proteção ambiental, baixas emissões de COV e baixo embaçamento, ao mesmo tempo em que melhora significativamente o desempenho geral.

Princípios de formação de espuma: principais reações químicas e equilíbrio

A produção de espuma de PU é um processo químico e coloidal complexo que envolve a ação coordenada de três reações principais: extensão da cadeia, formação de espuma e reticulação. Somente com o equilíbrio preciso é possível atingir a estrutura e o desempenho ideais da espuma.

1. Reação de extensão da cadeia
Esta é a principal reação que forma a estrutura da espuma de PU, determinando propriedades físicas importantes, como resistência mecânica, alongamento e elasticidade. Os isocianatos reagem com grupos hidroxila em polióis de poliéter (ou poliéster) para formar ligações de uretano, resultando em cadeias de polímeros de alto peso molecular. O índice de isocianato (razão molar NCO/-OH) é normalmente definido um pouco acima de 1, geralmente 1,05.

2. Reação de formação de espuma
A formação de espuma é crucial para a formação da espuma’estrutura de poros, normalmente por meio de duas abordagens:

Espuma Física : Ao adicionar compostos de baixo ponto de ebulição (por exemplo, HCFC-141b, ciclopentano), o calor da reação os vaporiza, criando gás e formando poros.

Espuma Química : A água reage com isocianatos para produzir gás CO₂. Isso também gera compostos de ureia, cujos segmentos rígidos influenciam a formação da espuma’sensação, recuperação e resistência ao calor. Para equilibrar esses efeitos e produzir espuma de baixa densidade e alto desempenho, geralmente são utilizadas estruturas de poliol de maior peso molecular e mais flexíveis.

3. Reticulação (Gelificação)
A reticulação solidifica a estrutura da espuma de líquida para sólida. A reticulação prematura ou tardia pode levar ao encolhimento ou colapso da espuma. O ideal é que a extensão da cadeia, a formação de espuma e a reticulação ocorram simultaneamente. Existem três métodos principais de reticulação:

Reticulação de polióis multifuncional : Usando polióis tri- ou superiores funcionais para formar uma rede 3D estável. O peso molecular entre ligações cruzadas (Mnc) é uma métrica chave, normalmente 2000–2500 para espumas macias.

Formação Biuret : Na formação de espuma à base de água, os grupos de ureia reagem ainda mais com o excesso de isocianato em altas temperaturas para formar biuretos, que têm baixa estabilidade térmica.

Formação de alofanato : Grupos de uretano também podem reagir com excesso de isocianatos para formar alofanatos sob calor. Tanto os biuretos quanto os alofanatos têm estabilidade térmica limitada, portanto a temperatura e o índice de NCO devem ser controlados com precisão.

Cálculos precisos e seleção de matéria-prima: controle de desempenho

O desempenho da espuma de PU pode ser ajustado com precisão ajustando as proporções do material. Cálculos químicos precisos são essenciais.

1. Cálculos Químicos
Valor Equivalente (E): Calculado pelo peso molecular (Mn) dividido pela funcionalidade (f). Para polióis, o valor de OH é frequentemente usado com a fórmula:
E = (1000 × 56.1) / OH

Dosagem de isocianato: Com base na estequiometria, o isocianato necessário para cada componente pode ser calculado. Para sintetizar um pré-polímero com um NCO% específico, aplica-se a seguinte fórmula:
Ws = (Es × Wp × I2) / (Ep × ρs)
Ws = quantidade de isocianato; Wp = quantidade de poliol; Es e Ep = valores equivalentes; D = fração de massa de NCO.

Densidade de reticulação: O Mnc (peso molecular entre pontos de reticulação) é calculado como:
Mnc = 4200 × Por exemplo × [(Wv + Wg) / (Wv × Por exemplo × D &menos; 4200 × Wg)]
Eg = equivalente de reticulador; Wg = quantidade de reticulador; Wv = quantidade de pré-polímero; D = teor de NCO.

2. Principais matérias-primas: polióis e isocianatos

Polióis: Principal componente da espuma de PU.

Polióis de poliéter : Os pesos moleculares padrão do poliéter variam de 1500–3000; os tipos de alta resiliência (HR) são 4500–8000. Polióis poliméricos (POP) e polióis de poliureia (PHD) melhoram a capacidade de carga e a abertura da espuma. Polióis de baixa insaturação melhoram o rebote e a compressão das espumas de RH. Polióis de base biológica (por exemplo, óleo de rícino ou de soja) são cada vez mais populares por sua biodegradabilidade.

Polióis de poliéster : Tradicionalmente usado em espumas microcelulares, sua hidrólise, resistência às intempéries e térmica podem ser melhoradas por meio da modificação com ácido dicarboxílico aromático ou usando policarbonato/εpolióis de -caprolactona.

Isocianatos: TDI e MDI são comuns.

MDI  é preferido por seu baixo teor de COV e benefícios ambientais.

MDI líquido : Modificado para permanecer líquido à temperatura ambiente; MDI-50 (uma mistura de 4,4’-MDI e 2,4’-MDI) é comum.

MDI bruto (PAPI) : Com maior funcionalidade, principalmente para espumas rígidas, ele’agora também é usado em espumas flexíveis devido ao menor custo, mas requer menor conteúdo de reticulador.

Aditivos Críticos: Ajuste Fino de Reação e Desempenho

Embora usados em pequenas quantidades, os aditivos são essenciais para controlar as reações e as propriedades finais da espuma.

Catalisadores : Normalmente aminas terciárias (por exemplo, trietilenodiamina) e tipos de metais (por exemplo, octoato estanoso), usados para equilibrar as velocidades de formação de espuma e gelificação. Catalisadores modernos oferecem funções como ação retardada, baixo VOC e misturas de compostos (por exemplo, série Dabco da Air Products). Novos catalisadores de organobismuto são conhecidos pela resistência à hidrólise e ao envelhecimento térmico.

Estabilizadores de espuma : Geralmente copolímeros de silicone-poliéter, eles emulsificam materiais, estabilizam bolhas e controlam o tamanho dos poros. A escolha incorreta do estabilizador pode causar espuma de baixa qualidade. Estabilizadores de baixa emissão como Dabco DC6070 (para TDI) e DC2525 (para MDI) estão disponíveis.

Agentes de expansão : Além da água e dos agentes físicos, o CO₂ líquido A formação de espuma (LCO₂) é uma solução eficiente e ecológica, ideal para fábricas de pequeno e médio porte. 4 partes de LCO₂ correspondem a ~13 partes de cloreto de metileno, reduzindo a densidade da espuma e o calor, mitigando assim o risco de combustão espontânea.

Retardantes de chamas : A seleção adequada é essencial para atender aos padrões de inflamabilidade. Retardantes ideais promovem a formação de carvão, baixa fumaça e baixa toxicidade. Os tipos eficazes incluem ésteres de fosfato de alto peso molecular, grafite expansível e compostos heterocíclicos de nitrogênio.

Conclusão e Perspectivas

Em resumo, a produção de espuma de PU combina química, física e engenharia. Ao gerenciar com precisão a extensão da cadeia, a formação de espuma e as reações de reticulação, e ao usar formulação científica e matérias-primas avançadas, os fabricantes podem produzir espumas de alto desempenho adaptadas a diversas necessidades. Olhando para o futuro, com regulamentações ambientais mais rigorosas e expectativas crescentes do consumidor, a espuma de PU R&A D continuará avançando em direção a materiais de base biológica, aditivos de baixa emissão e tecnologias de fabricação mais ecológicas e eficientes para dar suporte à inovação sustentável da indústria.