Promotion et application des polyols de polyester soufflés à l'eau

Comparaison des propriétés de divers agents gonflants pour la mousse de polyuréthane

Les agents gonflants actuellement utilisés dans la mousse de polyuréthane comprennent principalement les chlorofluorocarbures (CFC), les hydrofluorocarbures (HFC), le pentane et le dioxyde de carbone.

1. Chlorofluorocarbures (CFC)

un CFC-11

Le CFC-11 a un point d’ébullition de 23,7 °C et est liquide à température ambiante. Il est facile à manipuler, a une faible chaleur de vaporisation et se vaporise facilement pendant le processus de moussage. Elle a une faible conductivité thermique et la mousse obtenue présente de bonnes propriétés d'isolation thermique ; il est ininflammable et non toxique et a un effet corrosif minimal sur les substrats en polyuréthane. Bien qu’il s’agisse d’un excellent agent gonflant, il a été progressivement abandonné en raison de ses dommages importants à la couche d’ozone atmosphérique, qui affectent l’environnement écologique dont dépend la survie humaine.

bHCF-141b

Le HCF-141b a un point d'ébullition de 32,0 °C. En tant que substitut transitoire du CFC-11, il possède des propriétés similaires au CFC-11 mais a néanmoins un certain effet destructeur sur la couche d'ozone atmosphérique, avec un ODP de 0,15 ; son utilisation sera également progressivement supprimée après une certaine période.

2. Hydrofluorocarbures (HFC)

Les hydrofluorocarbures ne contiennent pas d'atomes de chlore et ont un ODP de 0 ; il s'agit d'une classe très compétitive d'agents gonflants de remplacement du CFC-11. Les composés notables de cette classe comprennent : HFC-245fa, HFC-365mfc et HFC-356mffm. Leurs points d'ébullition sont respectivement de 15,3 °C, 40 °C et 24,9 °C. Comme leurs points d’ébullition sont similaires à ceux du CFC-11, les équipements existants nécessitent peu de modifications lors de leur utilisation ; cependant, leur coût élevé fait que les produits en mousse de polyuréthane sont prohibitifs, ce qui entrave leur promotion et leur adoption.

3. Pentane

Le pentane existe sous trois formes structurelles : le n-pentane, l'isopentane et le cyclopentane, avec des points d'ébullition de 36 °C, 28 °C et 49 °C respectivement. Il a un ODP de 0 et une conductivité thermique supérieure à celle du CFC-11. Cependant, comme le pentane est inflammable et forme des mélanges gazeux explosifs avec l’air, les équipements de production et l’environnement de travail doivent être modifiés pour garantir une production sûre. De plus, en raison de la fuite de pentane lors de l'utilisation, le produit ne convient pas à une utilisation dans des espaces clos, ce qui limite considérablement le champ d'application de la mousse de polyuréthane.

4. Dioxyde de carbone

Le moussage au dioxyde de carbone utilise généralement la réaction entre l'eau et l'isocyanate pour générer du dioxyde de carbone pour le moussage, également connu sous le nom de moussage par soufflage d'eau. Il est généralement utilisé en combinaison avec des agents gonflants physiques pour réduire la quantité de ces derniers requise. De plus, la réaction entre l'eau et l'isocyanate pour former de la polyurée modifie certaines propriétés de la mousse de polyuréthane, améliorant ainsi sa résistance. Cependant, comme la conductivité thermique du dioxyde de carbone est bien supérieure à celle du CFC-11, les performances d'isolation thermique du produit sont quelque peu réduites. De plus, comme le dioxyde de carbone s'échappe plus rapidement que l'air ne peut entrer, la stabilité dimensionnelle de la mousse est affectée dans une certaine mesure. Pour assurer la stabilité dimensionnelle, la densité de la mousse est généralement augmentée. Actuellement, des procédés et des équipements de moussage de dioxyde de carbone liquide ont été développés avec succès ; cependant, leur utilisation est quelque peu limitée en raison de l'investissement élevé en capital requis pour l'équipement.

 

Méthodes de moussage pour la mousse de polyuréthane

1. Moussage physique : il s'agit d'utiliser la réaction exothermique entre -OH et -NCO pour provoquer la vaporisation d'un agent gonflant physique à faible point d'ébullition, produisant ainsi de la mousse. Les exemples incluent le pentane et le HFC-141b.

2. Moussage chimique : il s'agit d'un moussage utilisant des gaz générés par des réactions chimiques, principalement par la production de dioxyde de carbone issu de la réaction entre l'eau et les isocyanates, ou par la décomposition des bicarbonates pour produire du dioxyde de carbone. Le moussage via la réaction des isocyanates avec de l'eau, combiné à un agent gonflant physique, est actuellement la principale méthode de moussage ; il améliore les performances de la mousse tout en réduisant les coûts de production. Le moussage bicarbonate est généralement utilisé pour les structures microcellulaires, qui présentent une dureté et une densité plus élevées, comme les produits effet bois et certains profilés moulés.

 

Problèmes liés au moussage toute eau et leurs solutions

Comme le moussage tout eau n'utilise pas d'agents moussants physiques, et en raison des défauts inhérents au système de moussage au dioxyde de carbone, l'utilisation de polyéthers et de polyester-polyols ordinaires présente un certain nombre de problèmes, principalement les suivants :

1. La réaction exothermique est trop intense, ce qui la rend sujette à la combustion du noyau et difficile à réaliser en une seule opération. En réduisant l'indice d'hydroxyle et en limitant ainsi la réaction entre les groupes -OH et -NCO, la chaleur de réaction peut être minimisée. Parallèlement, l'utilisation de moussage entièrement en polyester augmente la température de décomposition thermique des chaînes moléculaires ; comme la température de décomposition thermique des groupes ester dépasse de loin celle des liaisons éther, le produit est moins sujet à la décomposition, à la vaporisation et à la combustion à haute température. Cela évite la combustion du noyau et permet la production de mousse en un seul passage. Après de nombreuses expériences, il a été constaté que le contrôle de l'indice d'hydroxyle du polyester-polyol dans la plage de 180 à 200 mg KOH/g répond généralement aux exigences.

2. Mauvaise stabilité dimensionnelle de la mousse. Une mauvaise stabilité dimensionnelle est principalement causée par le taux excessif d'échappement du dioxyde de carbone. Pour résoudre ce problème, une structure multibranchée est introduite dans la chaîne moléculaire du polyester pour augmenter l’étanchéité des cellules et réduire le taux d’échappement du dioxyde de carbone. Dans le même temps, en augmentant la densité des groupes fonctionnels et en introduisant des groupes -NH₂ dans la chaîne moléculaire, la rigidité des cellules est renforcée, améliorant ainsi leur capacité de résistance à la pression et assurant leur stabilité dimensionnelle.

3. La viscosité élevée du mélange nuit au mélange et à l'atomisation des composants noir et blanc. Comme l’absence d’agent gonflant physique dans le système équivaut à une réduction de la teneur en solvant, la viscosité du système augmente inévitablement. Ce problème ne peut être résolu qu'en réduisant la viscosité du polyester polyol ; par conséquent, des chaînes latérales alkyle ayant des poids moléculaires plus élevés sont introduites dans la structure du polyester pour abaisser le rapport molaire des groupes ester, réduisant ainsi la viscosité du polyester. En pratique, la viscosité du système peut également être réduite en augmentant de manière appropriée la quantité d'ignifugeant, améliorant ainsi la fluidité du mélange et facilitant le mélange et l'atomisation avec l'isocyanate.

4. Performances d'isolation thermique réduites et conductivité thermique accrue. Bien que le CO₂ ait une conductivité thermique plus élevée que le CFC-11, nous pouvons améliorer les performances d'isolation thermique de la mousse en augmentant la densité des cellules et en réduisant la convection thermique entre le CO₂ et l'air.

5. Mauvaise stabilité de stockage. La consommation d'eau dans le moussage tout eau est plus élevée que dans les méthodes de moussage existantes ; et le contact entre l'eau et divers additifs et retardateurs de flamme conduit inévitablement à un certain degré d'hydrolyse, ralentissant la vitesse de réaction lors du moussage. En introduisant des groupes hydrophiles aux extrémités terminales du polyester, les molécules d'eau sont fermement verrouillées aux extrémités des chaînes moléculaires du polyester via une liaison hydrogène. L'utilisation d'une émulsion eau dans huile réduit le risque que les molécules d'eau entrent en contact avec des additifs et des retardateurs de flamme, minimisant ainsi l'hydrolyse et améliorant la stabilité au stockage des matières premières.

 

Spécifications techniques de la mousse de polyester à base d'eau

Comme le polyester expansé à base d'eau nécessite de prendre en compte l'hydrophilie, la densité cellulaire, la rigidité cellulaire et la viscosité du polyester lui-même, il est difficile de l'opérer en utilisant un seul polyester-polyol. Actuellement, nous utilisons un mélange de deux polyesters : XF-2003 et XF-2006. XF-2003 est un polyester à base d'eau présentant un certain degré de miscibilité à l'eau. XF-2006 contient une structure multiramifiée et une certaine quantité de -NH₂, et ses spécifications techniques sont les suivantes :

 

 

 

Processus de moussage pour le polyester toute eau et performances du produit

La mousse soufflée entièrement à l’eau utilise actuellement principalement un processus de moussage à cellules ouvertes. Premièrement, cela garantit la stabilité dimensionnelle ; deuxièmement, cela réduit le risque de brûlure du noyau. Cependant, comme la structure à cellules ouvertes entraîne des propriétés d'isolation thermique réduites de la mousse plastique, limitant ainsi ses applications, ce procédé utilise un nouveau polyester polyol comprenant une combinaison de XF-2003 et de XF-2006, qui surmonte parfaitement les inconvénients des procédés existants. Un moussage à cellules fermées est utilisé et le processus est le suivant :

 

Conclusions et résumé

Le moussage entièrement à l’eau offre les avantages d’une opération simple, de sécurité et de respect de l’environnement ; il ne nécessite aucune modification des équipements existants et, étant sans solvant, ne présente aucun risque pour la santé des opérateurs. Suite à l’élimination progressive des chlorofluorocarbures (CFC), il offre des avantages significatifs en réduisant le coût des produits finis.

Grâce aux améliorations apportées à leur structure moléculaire, XF-2006 et XF-2003 confèrent d'excellentes propriétés de stabilité dimensionnelle et d'isolation thermique à la mousse de polyuréthane. Par rapport au moussage toute eau à cellules ouvertes, ils offrent de plus grands avantages et des performances supérieures ; par rapport au moussage à base d'hydrofluoroalcane, ils offrent un meilleur rapport qualité-prix. Avec des efforts continus et le développement continu de nouveaux matériaux, le moussage tout eau est voué à devenir une nouvelle tendance.