ترويج وتطبيق بوليولات البوليستر المنفوخة بالماء

مقارنة خواص عوامل النفخ المختلفة لرغوة البولي يوريثان

تشتمل عوامل النفخ المستخدمة حاليًا في رغوة البولي يوريثان بشكل أساسي على مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)، ومركبات الهيدروفلوروكربون (HFCs)، والبنتان، وثاني أكسيد الكربون.

1. مركبات الكلوروفلوروكربون (CFCs)

مركب الكربون الكلوروفلوري-11

تبلغ درجة غليان مركب الكربون الكلوروفلوري-11 23.7 درجة مئوية وهو سائل في درجة حرارة الغرفة. من السهل التعامل معه، وله حرارة تبخير منخفضة، ويتبخر بسهولة أثناء عملية الرغوة. لديها موصلية حرارية منخفضة، والرغوة الناتجة تظهر خصائص عزل حراري جيدة؛ فهو غير قابل للاشتعال وغير سام، وله تأثير تآكل ضئيل على ركائز البولي يوريثين. وعلى الرغم من كونه عامل نفخ ممتاز، إلا أنه تم التخلص منه تدريجياً بسبب أضراره الكبيرة على طبقة الأوزون الجوية، مما يؤثر على البيئة البيئية التي يعتمد عليها بقاء الإنسان.

ب HCF-141b

تبلغ درجة غليان HCF-141b 32.0 درجة مئوية. وباعتباره بديلاً انتقالياً لمركب الكربون الكلوروفلوري-11، فهو يمتلك خصائص مماثلة لمركب الكربون الكلوروفلوري-11 ولكن لا يزال له تأثير مدمر معين على طبقة الأوزون في الغلاف الجوي، حيث تبلغ قدرة استنفاد الأوزون 0.15؛ كما سيتم التخلص التدريجي من استخدامه بعد فترة معينة.

2. مركبات الهيدروفلوروكربون (HFCs)

لا تحتوي مركبات الهيدروفلوروكربون على ذرات الكلور ولها قدرة استنفاد الأوزون 0؛ وهي فئة ذات قدرة تنافسية عالية من عوامل النفخ البديلة لمركب الكربون الكلوروفلوري-11. تشمل المركبات البارزة في هذه الفئة: HFC-245fa وHFC-365mfc وHFC-356mffm. نقاط غليانها هي 15.3 درجة مئوية، 40 درجة مئوية و24.9 درجة مئوية على التوالي. وبما أن نقاط غليانها مماثلة لنقاط غليان مركب الكربون الكلوروفلوري-11، فإن المعدات الموجودة لا تتطلب سوى القليل من التعديل أثناء الاستخدام؛ ومع ذلك، فإن ارتفاع تكلفتها يؤدي إلى أن تكون منتجات رغاوي البولي يوريثان باهظة الثمن، مما يعيق الترويج لها واعتمادها.

3. البنتان

يوجد البنتان في ثلاثة أشكال هيكلية: بنتان ن، إيزوبنتان وسيكلوبنتان، مع نقاط غليان تبلغ 36 درجة مئوية، 28 درجة مئوية و49 درجة مئوية على التوالي. لديه ODP قدره 0 وموصلية حرارية أعلى من CFC-11. ومع ذلك، بما أن البنتان قابل للاشتعال ويشكل مخاليط غازية قابلة للانفجار مع الهواء، فيجب تعديل معدات الإنتاج وبيئة العمل لضمان الإنتاج الآمن. علاوة على ذلك، ونظرًا لتسرب مادة البنتان أثناء الاستخدام، فإن المنتج غير مناسب للاستخدام في الأماكن المغلقة، مما يحد بشدة من نطاق تطبيق رغوة البولي يوريثان.

4. ثاني أكسيد الكربون

تستخدم رغوة ثاني أكسيد الكربون عمومًا التفاعل بين الماء والأيزوسيانات لتوليد ثاني أكسيد الكربون للرغوة، والمعروف أيضًا باسم الرغوة المنفوخة بالماء. يتم استخدامه عادةً مع عوامل النفخ الفيزيائية لتقليل كمية الأخيرة المطلوبة. علاوة على ذلك، فإن التفاعل بين الماء والإيزوسيانات لتكوين البوليوريا يغير خصائص معينة لرغوة البولي يوريثان، وبالتالي يعزز قوة الرغوة. ومع ذلك، بما أن الموصلية الحرارية لثاني أكسيد الكربون أكبر بكثير من تلك الخاصة بمركب الكربون الكلوروفلوري-11، فإن أداء العزل الحراري للمنتج ينخفض ​​إلى حد ما. علاوة على ذلك، نظرًا لأن ثاني أكسيد الكربون يتسرب بشكل أسرع من دخول الهواء، فإن استقرار أبعاد الرغوة يتأثر إلى حد ما. ولضمان استقرار الأبعاد، يتم زيادة كثافة الرغوة بشكل عام. حاليًا، تم تطوير عمليات ومعدات رغوة ثاني أكسيد الكربون السائل بنجاح؛ ومع ذلك، فإن استخدامها محدود إلى حد ما بسبب ارتفاع الاستثمار الرأسمالي المطلوب للمعدات.

 

طرق الرغوة لرغوة البولي يوريثان

1. الرغوة الفيزيائية: يتضمن ذلك استخدام التفاعل الطارد للحرارة بين -OH و-NCO للتسبب في تبخر عامل النفخ الفيزيائي ذو نقطة الغليان المنخفضة، وبالتالي إنتاج الرغوة. ومن الأمثلة على ذلك البنتان ومركب الكربون الهيدروفلوري-141ب.

2. الرغوة الكيميائية: تتضمن الرغوة باستخدام الغازات الناتجة عن التفاعلات الكيميائية، وذلك بشكل أساسي من خلال إنتاج ثاني أكسيد الكربون من التفاعل بين الماء والإيزوسيانات، أو من خلال تحلل البيكربونات لإنتاج ثاني أكسيد الكربون. تعتبر الرغوة عن طريق تفاعل الأيزوسيانات مع الماء، بالإضافة إلى عامل النفخ الفيزيائي، هي طريقة الرغوة الأساسية حاليًا؛ فهو يحسن أداء الرغوة مع تقليل تكاليف الإنتاج. تُستخدم رغوة البيكربونات عمومًا في الهياكل الخلوية الدقيقة، التي تتميز بصلابة أعلى وكثافة أكبر، مثل المنتجات ذات التأثير الخشبي وبعض التشكيلات المقولبة.

 

مشاكل الرغوة المائية وحلولها

نظرًا لأن رغوة الماء بالكامل لا تستخدم عوامل رغوة فيزيائية، ونظرًا للعيوب الكامنة في نظام رغوة ثاني أكسيد الكربون، فإن استخدام البولي إيثر والبوليولات العادية يمثل عددًا من المشكلات، في المقام الأول على النحو التالي:

1. رد الفعل الطارد للحرارة شديد للغاية، مما يجعله عرضة لاحتراق القلب ويصعب تنفيذه في عملية واحدة. عن طريق تقليل قيمة الهيدروكسيل وبالتالي الحد من التفاعل بين مجموعات -OH و-NCO، يمكن تقليل حرارة التفاعل. في الوقت نفسه، فإن استخدام رغوة البوليستر بالكامل يزيد من درجة حرارة التحلل الحراري للسلاسل الجزيئية؛ نظرًا لأن درجة حرارة التحلل الحراري لمجموعات الإستر تتجاوز بكثير درجة حرارة روابط الأثير، يكون المنتج أقل عرضة للتحلل والتبخير والاحتراق عند درجات حرارة عالية. وهذا يمنع حرق القلب ويتيح إنتاج الرغوة في عملية تمريرة واحدة. بعد العديد من التجارب، وجد أن التحكم في قيمة الهيدروكسيل لبوليول البوليستر ضمن نطاق 180-200 ملجم KOH/جرام يلبي المتطلبات بشكل عام.

2. ضعف ثبات الأبعاد للرغوة يرجع ثبات الأبعاد الضعيف في المقام الأول إلى المعدل المفرط لتسرب ثاني أكسيد الكربون. ولمعالجة هذه المشكلة، يتم إدخال بنية متعددة الفروع في سلسلة البوليستر الجزيئية لزيادة إحكام الخلايا للهواء وتقليل معدل هروب ثاني أكسيد الكربون. وفي الوقت نفسه، من خلال زيادة كثافة المجموعة الوظيفية وإدخال مجموعات -NH₂ في السلسلة الجزيئية، يتم تعزيز صلابة الخلايا، مما يحسن قدرتها على تحمل الضغط ويضمن استقرارها الأبعاد.

3. اللزوجة العالية للمزيج تضر بخلط وتفتيت المكونات السوداء والبيضاء. وبما أن غياب عامل النفخ الفيزيائي في النظام يعادل انخفاض محتوى المذيب، فإن لزوجة النظام تزداد حتماً. ولا يمكن معالجة ذلك إلا عن طريق تقليل لزوجة بوليول البوليستر؛ لذلك، يتم إدخال سلاسل جانبية ألكيل ذات أوزان جزيئية أعلى في بنية البوليستر لتقليل النسبة المولية لمجموعات الإستر، وبالتالي تقليل لزوجة البوليستر. ومن الناحية العملية، يمكن أيضًا تقليل لزوجة النظام عن طريق زيادة كمية مثبطات اللهب بشكل مناسب، وبالتالي تحسين قابلية تدفق المزيج وتسهيل الخلط والذرات مع الأيزوسيانات.

4. انخفاض أداء العزل الحراري وزيادة التوصيل الحراري. على الرغم من أن ثاني أكسيد الكربون يتمتع بموصلية حرارية أعلى من مركب الكربون الكلوروفلوري-11، إلا أنه يمكننا تحسين أداء العزل الحراري للرغوة عن طريق زيادة كثافة الخلايا وتقليل الحمل الحراري بين ثاني أكسيد الكربون والهواء.

5. ضعف استقرار التخزين. يكون استهلاك المياه في عملية الرغوة المائية أعلى منه في طرق الرغوة الحالية؛ والتلامس بين الماء والمواد المضافة المختلفة ومثبطات اللهب يؤدي حتمًا إلى درجة معينة من التحلل المائي، مما يؤدي إلى إبطاء معدل التفاعل أثناء الرغوة. من خلال إدخال مجموعات محبة للماء في الأطراف الطرفية للبوليستر، يتم قفل جزيئات الماء بقوة في نهايات السلاسل الجزيئية للبوليستر عبر الروابط الهيدروجينية. يؤدي استخدام مستحلب الماء في الزيت إلى تقليل احتمالية تلامس جزيئات الماء مع المواد المضافة ومثبطات اللهب، وبالتالي تقليل التحلل المائي وتحسين استقرار تخزين المواد الخام.

 

المواصفات الفنية للبوليستر الرغوي المائي

نظرًا لأن البوليستر الرغوي ذو الأساس المائي يتطلب مراعاة محبة الماء وكثافة الخلايا وصلابة الخلية ولزوجة البوليستر نفسه، فمن الصعب التشغيل باستخدام بوليول بوليستر واحد. حاليًا، نستخدم مزيجًا من اثنين من البوليستر: XF-2003 وXF-2006. XF-2003 عبارة عن بوليستر ذو أساس مائي مع درجة معينة من الامتزاج مع الماء. يحتوي XF-2006 على بنية متعددة الفروع وكمية معينة من -NH₂، ومواصفاته الفنية هي كما يلي:

 

 

 

عملية الرغوة لجميع البوليستر المائي وأداء المنتج

تستخدم رغوة نفخ الماء بالكامل حاليًا في الغالب عملية رغوة ذات خلية مفتوحة. أولاً، هذا يضمن استقرار الأبعاد؛ ثانيا، أنه يقلل من خطر حرق الأساسية. ومع ذلك، بما أن هيكل الخلية المفتوحة يؤدي إلى انخفاض خصائص العزل الحراري للبلاستيك الرغوي، مما يحد من تطبيقاته، فإن هذه العملية تستخدم بوليول بوليستر جديد يشتمل على مزيج من XF-2003 وXF-2006، والذي يتغلب بشكل مثالي على أوجه القصور في العمليات الحالية. يتم استخدام رغوة الخلايا المغلقة، وتكون العملية كما يلي:

 

الاستنتاجات والملخص

توفر الرغوة المائية بالكامل مزايا التشغيل البسيط والسلامة والود البيئي؛ فهو لا يتطلب أي تعديلات على المعدات الموجودة، ولأنه خالي من المذيبات، فإنه لا يشكل أي مخاطر صحية على المشغلين. بعد التخلص التدريجي من مركبات الكربون الكلورية فلورية (CFCs)، فإنه يوفر مزايا كبيرة في تقليل تكلفة المنتجات النهائية.

من خلال التحسينات التي تم إدخالها على بنيتها الجزيئية، توفر XF-2006 وXF-2003 ثباتًا ممتازًا للأبعاد وخصائص عزل حراري على رغوة البولي يوريثان. بالمقارنة مع الرغوة المائية ذات الخلايا المفتوحة، فإنها توفر مزايا أكبر وأداء فائق؛ بالمقارنة مع رغوة الهيدروفلوروألكان، فهي توفر قيمة أفضل مقابل المال. مع الجهود المستمرة والتطوير المستمر للمواد الجديدة، لا بد أن تصبح رغوة الماء بالكامل اتجاهًا جديدًا.