Promoción y aplicación de polioles de poliéster soplados con agua.

Comparación de las propiedades de varios agentes espumantes para espuma de poliuretano

Los agentes espumantes utilizados actualmente en la espuma de poliuretano incluyen principalmente clorofluorocarbonos (CFC), hidrofluorocarbonos (HFC), pentano y dióxido de carbono.

1. Clorofluorocarbonos (CFC)

un CFC-11

El CFC-11 tiene un punto de ebullición de 23,7 °C y es líquido a temperatura ambiente. Es fácil de manipular, tiene un bajo calor de vaporización y se vaporiza fácilmente durante el proceso de formación de espuma. Tiene baja conductividad térmica y la espuma resultante presenta buenas propiedades de aislamiento térmico; no es inflamable ni tóxico y tiene un efecto corrosivo mínimo sobre los sustratos de poliuretano. Aunque es un excelente agente espumante, ha sido eliminado debido a su importante daño a la capa de ozono atmosférico, que afecta el entorno ecológico del que depende la supervivencia humana.

bHCF-141b

HCF-141b tiene un punto de ebullición de 32,0 °C. Como sustituto transitorio del CFC-11, posee propiedades similares al CFC-11 pero aún tiene cierto efecto destructivo sobre la capa de ozono atmosférico, con un PAO de 0,15; su uso también se eliminará gradualmente después de un cierto período.

2. Hidrofluorocarbonos (HFC)

Los hidrofluorocarbonos no contienen átomos de cloro y tienen un PAO de 0; son una clase altamente competitiva de agentes espumantes de reemplazo de CFC-11. Los compuestos notables de esta clase incluyen: HFC-245fa, HFC-365mfc y HFC-356mffm. Sus puntos de ebullición son 15,3 °C, 40 °C y 24,9 °C respectivamente. Como sus puntos de ebullición son similares a los del CFC-11, los equipos existentes requieren pocas modificaciones durante su uso; sin embargo, su alto costo hace que los productos de espuma de poliuretano sean prohibitivamente costosos, lo que dificulta su promoción y adopción.

3. pentano

El pentano existe en tres formas estructurales: n-pentano, isopentano y ciclopentano, con puntos de ebullición de 36 °C, 28 °C y 49 °C respectivamente. Tiene un ODP de 0 y una conductividad térmica mayor que el CFC-11. Sin embargo, como el pentano es inflamable y forma mezclas explosivas de gases con el aire, los equipos de producción y el entorno de trabajo deben modificarse para garantizar una producción segura. Además, debido al escape de pentano durante el uso, el producto no es adecuado para su uso en espacios cerrados, lo que limita gravemente el ámbito de aplicación de la espuma de poliuretano.

4. Dióxido de carbono

La formación de espuma con dióxido de carbono generalmente utiliza la reacción entre el agua y el isocianato para generar dióxido de carbono para la formación de espuma, también conocida como espuma por soplado con agua. Normalmente se utiliza en combinación con agentes espumantes físicos para reducir la cantidad de estos últimos necesaria. Además, la reacción entre el agua y el isocianato para formar poliurea altera ciertas propiedades de la espuma de poliuretano, mejorando así la resistencia de la espuma. Sin embargo, como la conductividad térmica del dióxido de carbono es mucho mayor que la del CFC-11, el rendimiento de aislamiento térmico del producto se reduce algo. Además, debido a que el dióxido de carbono escapa más rápido de lo que puede entrar el aire, la estabilidad dimensional de la espuma se ve afectada hasta cierto punto. Para garantizar la estabilidad dimensional, generalmente se aumenta la densidad de la espuma. Actualmente, se han desarrollado con éxito procesos y equipos de formación de espuma de dióxido de carbono líquido; sin embargo, su uso es algo limitado debido a la alta inversión de capital requerida para el equipo.

 

Métodos de formación de espuma para espuma de poliuretano

1. Formación de espuma física: Implica utilizar la reacción exotérmica entre -OH y -NCO para provocar que un agente de soplado físico de bajo punto de ebullición se vaporice, produciendo así espuma. Los ejemplos incluyen pentano y HFC-141b.

2. Espuma química: Implica la formación de espuma utilizando gases generados por reacciones químicas, principalmente mediante la producción de dióxido de carbono a partir de la reacción entre agua e isocianatos, o mediante la descomposición de bicarbonatos para producir dióxido de carbono. La formación de espuma mediante la reacción de isocianatos con agua, combinada con un agente espumante físico, es actualmente el principal método de formación de espuma; Mejora el rendimiento de la espuma al tiempo que reduce los costos de producción. La espumación con bicarbonato se utiliza generalmente para estructuras microcelulares, que tienen mayor dureza y mayor densidad, como productos con imitación de madera y ciertos perfiles moldeados.

 

Problemas con la formación de espuma exclusivamente con agua y sus soluciones.

Como la formación de espuma exclusivamente con agua no utiliza agentes espumantes físicos, y debido a los defectos inherentes del sistema de formación de espuma con dióxido de carbono, el uso de poliéter y poliéster polioles ordinarios presenta una serie de problemas, principalmente los siguientes:

1. La reacción exotérmica es demasiado intensa, lo que la hace propensa a quemar el núcleo y es difícil de llevar a cabo en una sola operación. Al reducir el valor de hidroxilo y limitar así la reacción entre los grupos -OH y -NCO, se puede minimizar el calor de reacción. Al mismo tiempo, el uso de espuma totalmente de poliéster aumenta la temperatura de descomposición térmica de las cadenas moleculares; Como la temperatura de descomposición térmica de los grupos éster supera con creces la de los enlaces éter, el producto es menos propenso a la descomposición, vaporización y combustión a altas temperaturas. Esto evita que el núcleo se queme y permite la producción de espuma en una operación de una sola pasada. Tras numerosos experimentos, se ha descubierto que controlar el índice de hidroxilo del poliéster poliol dentro del intervalo de 180 a 200 mg de KOH/g generalmente cumple los requisitos.

2. Mala estabilidad dimensional de la espuma La mala estabilidad dimensional se debe principalmente a la tasa excesiva de escape de dióxido de carbono. Para solucionar este problema, se introduce una estructura multiramificada en la cadena molecular del poliéster para aumentar la hermeticidad de las células y reducir la tasa de escape de dióxido de carbono. Al mismo tiempo, al aumentar la densidad de grupos funcionales e introducir grupos -NH₂ en la cadena molecular, se mejora la rigidez de las células, mejorando su capacidad de soportar presión y asegurando su estabilidad dimensional.

3. La alta viscosidad de la mezcla es perjudicial para la mezcla y atomización de los componentes blanco y negro. Como la ausencia de un agente espumante físico en el sistema equivale a una reducción en el contenido de disolvente, la viscosidad del sistema aumenta inevitablemente. Esto sólo puede solucionarse reduciendo la viscosidad del poliéster poliol; por lo tanto, se introducen cadenas laterales de alquilo con pesos moleculares más altos en la estructura del poliéster para reducir la proporción molar de grupos éster, reduciendo así la viscosidad del poliéster. En la práctica, la viscosidad del sistema también se puede reducir aumentando apropiadamente la cantidad de retardante de llama, mejorando así la fluidez de la mezcla y facilitando la mezcla y atomización con el isocianato.

4. Reducción del rendimiento del aislamiento térmico y aumento de la conductividad térmica. Aunque el CO₂ tiene una conductividad térmica mayor que el CFC-11, podemos mejorar el rendimiento de aislamiento térmico de la espuma aumentando la densidad de las células y reduciendo la convección térmica entre el CO₂ y el aire.

5. Mala estabilidad durante el almacenamiento. El consumo de agua en la formación de espuma exclusivamente con agua es mayor que en los métodos de formación de espuma existentes; y el contacto entre el agua y diversos aditivos y retardantes de llama conduce inevitablemente a cierto grado de hidrólisis, lo que ralentiza la velocidad de reacción durante la formación de espuma. Al introducir grupos hidrófilos en los extremos terminales del poliéster, las moléculas de agua se bloquean firmemente en los extremos de las cadenas moleculares del poliéster mediante enlaces de hidrógeno. El uso de una emulsión de agua en aceite reduce la probabilidad de que las moléculas de agua entren en contacto con aditivos y retardantes de llama, minimizando así la hidrólisis y mejorando la estabilidad de almacenamiento de las materias primas.

 

Especificaciones técnicas del poliéster espumado a base de agua

Como el poliéster espumado a base de agua requiere consideración de la hidrofilicidad, la densidad celular, la rigidez celular y la viscosidad del propio poliéster, es difícil operar usando un único poliéster poliol. Actualmente utilizamos una mezcla de dos poliésteres: XF-2003 y XF-2006. XF-2003 es un poliéster a base de agua con cierto grado de miscibilidad con agua. XF-2006 contiene una estructura multiramificada y una cierta cantidad de -NH₂, y sus especificaciones técnicas son las siguientes:

 

 

 

Proceso de formación de espuma para poliéster totalmente acuoso y rendimiento del producto

Actualmente, la espuma inyectada con agua emplea principalmente un proceso de formación de espuma de celda abierta. En primer lugar, esto garantiza la estabilidad dimensional; en segundo lugar, reduce el riesgo de quemar el núcleo. Sin embargo, como la estructura de celda abierta reduce las propiedades de aislamiento térmico de la espuma plástica, lo que limita sus aplicaciones, este proceso utiliza un nuevo poliéster poliol que comprende una combinación de XF-2003 y XF-2006, que supera perfectamente las deficiencias de los procesos existentes. Se emplea espuma de celda cerrada y el proceso es el siguiente:

 

Conclusiones y resumen

La espumación exclusivamente con agua ofrece las ventajas de un funcionamiento sencillo, seguridad y respeto al medio ambiente; no requiere modificaciones en el equipo existente y, al no contener disolventes, no supone ningún riesgo para la salud de los operadores. Tras la eliminación gradual de los clorofluorocarbonos (CFC), ofrece importantes ventajas a la hora de reducir el coste de los productos acabados.

A través de mejoras en su estructura molecular, XF-2006 y XF-2003 confieren excelentes propiedades de estabilidad dimensional y aislamiento térmico a la espuma de poliuretano. En comparación con la espumación pura de agua de celda abierta, ofrecen mayores ventajas y un rendimiento superior; en comparación con la espumación de hidrofluoroalcano, ofrecen una mejor relación calidad-precio. Con esfuerzos continuos y el desarrollo continuo de nuevos materiales, la espumación exclusivamente con agua seguramente se convertirá en una nueva tendencia.