Promozione e applicazione di polioli poliestere soffiati ad acqua

Confronto delle proprietà di vari agenti espandenti per la schiuma poliuretanica

Gli agenti espandenti attualmente utilizzati nella schiuma di poliuretano includono principalmente clorofluorocarburi (CFC), idrofluorocarburi (HFC), pentano e anidride carbonica.

1. Clorofluorocarburi (CFC)

un CFC-11

Il CFC-11 ha un punto di ebollizione di 23,7 °C ed è liquido a temperatura ambiente. È facile da maneggiare, ha un basso calore di vaporizzazione e vaporizza facilmente durante il processo di schiumatura. Ha una bassa conduttività termica e la schiuma risultante presenta buone proprietà di isolamento termico; non è infiammabile e non tossico e ha un effetto corrosivo minimo sui substrati di poliuretano. Sebbene sia un eccellente agente espandente, è stato gradualmente eliminato a causa del significativo danno allo strato di ozono atmosferico, che influisce sull'ambiente ecologico da cui dipende la sopravvivenza umana.

bHCF-141b

L'HCF-141b ha un punto di ebollizione di 32,0 °C. Come sostituto transitorio del CFC-11, possiede proprietà simili al CFC-11 ma ha ancora un certo effetto distruttivo sullo strato di ozono atmosferico, con un ODP di 0,15; anche il suo utilizzo verrà gradualmente eliminato dopo un certo periodo.

2. Idrofluorocarburi (HFC)

Gli idrofluorocarburi non contengono atomi di cloro e hanno un ODP pari a 0; sono una classe altamente competitiva di agenti espandenti sostitutivi del CFC-11. Composti degni di nota in questa classe includono: HFC-245fa, HFC-365mfc e HFC-356mffm. I loro punti di ebollizione sono rispettivamente 15,3 °C, 40 °C e 24,9 °C. Poiché il loro punto di ebollizione è simile a quello del CFC-11, le apparecchiature esistenti richiedono poche modifiche durante l'uso; tuttavia, il loro costo elevato fa sì che i prodotti in schiuma di poliuretano siano proibitivi, il che ne ostacola la promozione e l'adozione.

3. Pentano

Il pentano esiste in tre forme strutturali: n-pentano, isopentano e ciclopentano, con punti di ebollizione rispettivamente di 36 °C, 28 °C e 49 °C. Ha un ODP pari a 0 e una conduttività termica superiore rispetto al CFC-11. Tuttavia, poiché il pentano è infiammabile e forma miscele di gas esplosive con l’aria, le attrezzature di produzione e l’ambiente di lavoro devono essere modificati per garantire una produzione sicura. Inoltre, a causa della fuoriuscita di pentano durante l'uso, il prodotto non è adatto all'uso in spazi chiusi, il che limita fortemente il campo di applicazione della schiuma poliuretanica.

4. Anidride carbonica

La schiumatura con anidride carbonica utilizza generalmente la reazione tra acqua e isocianato per generare anidride carbonica per la schiumatura, nota anche come schiumatura ad acqua. Viene tipicamente utilizzato in combinazione con agenti espandenti fisici per ridurre la quantità di questi ultimi necessaria. Inoltre, la reazione tra acqua e isocianato per formare poliurea altera alcune proprietà della schiuma poliuretanica, migliorandone così la resistenza. Tuttavia, poiché la conduttività termica del biossido di carbonio è di gran lunga maggiore di quella del CFC-11, le prestazioni di isolamento termico del prodotto sono alquanto ridotte. Inoltre, poiché l'anidride carbonica fuoriesce più velocemente di quanto possa entrare l'aria, la stabilità dimensionale della schiuma viene in una certa misura compromessa. Per garantire la stabilità dimensionale, la densità della schiuma viene generalmente aumentata. Attualmente, i processi e le apparecchiature per la schiumatura di anidride carbonica liquida sono stati sviluppati con successo; tuttavia, il loro utilizzo è alquanto limitato a causa dell’elevato investimento di capitale richiesto per l’attrezzatura.

 

Metodi di schiumatura della schiuma poliuretanica

1. Schiuma fisica: comporta l'utilizzo della reazione esotermica tra -OH e -NCO per far vaporizzare un agente espandente fisico a basso punto di ebollizione, producendo così schiuma. Gli esempi includono pentano e HFC-141b.

2. Schiuma chimica: comporta la schiumatura utilizzando gas generati da reazioni chimiche, principalmente attraverso la produzione di anidride carbonica dalla reazione tra acqua e isocianati, o attraverso la decomposizione di bicarbonati per produrre anidride carbonica. La schiumatura tramite la reazione degli isocianati con acqua, combinata con un agente espandente fisico, è attualmente il metodo di schiumatura principale; migliora le prestazioni della schiuma riducendo i costi di produzione. La schiumatura con bicarbonato viene generalmente utilizzata per strutture microcellulari, che presentano maggiore durezza e maggiore densità, come i prodotti effetto legno e alcuni profili stampati.

 

Problemi con la schiumatura a tutta acqua e relative soluzioni

Poiché la schiumatura tutta acqua non utilizza agenti schiumogeni fisici e, a causa dei difetti intrinseci del sistema di schiumatura con anidride carbonica, l'uso di normali polioli di polietere e poliestere presenta una serie di problemi, principalmente i seguenti:

1. La reazione esotermica è troppo intensa, rendendola incline alla combustione del nucleo e difficile da eseguire in una singola operazione. Riducendo il numero di idrossili e quindi limitando la reazione tra i gruppi -OH e -NCO, il calore di reazione può essere ridotto al minimo. Allo stesso tempo, l'uso di schiume interamente in poliestere aumenta la temperatura di decomposizione termica delle catene molecolari; poiché la temperatura di decomposizione termica dei gruppi esterei supera di gran lunga quella dei legami eterei, il prodotto è meno incline alla decomposizione, vaporizzazione e combustione ad alte temperature. Ciò impedisce la combustione del nucleo e consente la produzione di schiuma in un'operazione a passaggio singolo. Dopo numerosi esperimenti si è scoperto che il controllo del numero di ossidrile del poliestere-poliolo nell'intervallo di 180–200 mg KOH/g generalmente soddisfa i requisiti.

2. Scarsa stabilità dimensionale della schiuma La scarsa stabilità dimensionale è causata principalmente dall'eccessiva velocità di fuga di anidride carbonica. Per risolvere questo problema, nella catena molecolare del poliestere viene introdotta una struttura multiramificata per aumentare l’ermeticità delle celle e ridurre il tasso di fuga di anidride carbonica. Allo stesso tempo, aumentando la densità dei gruppi funzionali e introducendo gruppi -NH₂ nella catena molecolare, si aumenta la rigidità delle cellule, migliorandone la capacità di sopportare la pressione e garantendone la stabilità dimensionale.

3. L'elevata viscosità della miscela è dannosa per la miscelazione e l'atomizzazione dei componenti bianco e nero. Poiché l'assenza di un agente espandente fisico nel sistema equivale ad una riduzione del contenuto di solvente, la viscosità del sistema inevitabilmente aumenta. Questo problema può essere risolto solo riducendo la viscosità del poliestere poliolo; pertanto, catene laterali alchiliche con pesi molecolari più elevati vengono introdotte nella struttura del poliestere per abbassare il rapporto molare dei gruppi esterei, riducendo così la viscosità del poliestere. In pratica è possibile ridurre la viscosità del sistema anche aumentando opportunamente la quantità di ritardante di fiamma, migliorando così la scorrevolezza della miscela e facilitando la miscelazione e l'atomizzazione con l'isocianato.

4. Prestazioni di isolamento termico ridotte e maggiore conduttività termica. Sebbene la CO₂ abbia una conduttività termica maggiore rispetto al CFC-11, possiamo migliorare le prestazioni di isolamento termico della schiuma aumentando la densità delle celle e riducendo la convezione termica tra CO₂ e aria.

5. Scarsa stabilità allo stoccaggio. Il consumo di acqua nella schiumatura tutta acqua è maggiore rispetto ai metodi di schiumatura esistenti; inoltre il contatto tra l'acqua e vari additivi e ritardanti di fiamma porta inevitabilmente ad un certo grado di idrolisi, rallentando la velocità di reazione durante la schiuma. Introducendo gruppi idrofili alle estremità terminali del poliestere, le molecole d'acqua vengono saldamente bloccate alle estremità delle catene molecolari del poliestere tramite legami idrogeno. L'utilizzo di un'emulsione acqua in olio riduce la probabilità che le molecole d'acqua entrino in contatto con additivi e ritardanti di fiamma, minimizzando così l'idrolisi e migliorando la stabilità allo stoccaggio delle materie prime.

 

Specifiche Tecniche del Poliestere Espanso a Base Acqua

Poiché il poliestere espanso a base d'acqua richiede la considerazione dell'idrofilicità, della densità cellulare, della rigidità cellulare e della viscosità del poliestere stesso, è difficile operare utilizzando un singolo poliolo poliestere. Attualmente utilizziamo una miscela di due poliesteri: XF-2003 e XF-2006. XF-2003 è un poliestere a base acqua con un certo grado di miscibilità con l'acqua. XF-2006 contiene una struttura multiramificata e una certa quantità di -NH₂, e le sue specifiche tecniche sono le seguenti:

 

 

 

Processo di schiumatura per poliestere all-water e prestazioni del prodotto

La schiuma ad acqua totale attualmente utilizza principalmente un processo di schiumatura a cellule aperte. In primo luogo, ciò garantisce la stabilità dimensionale; in secondo luogo, riduce il rischio di bruciatura del nocciolo. Tuttavia, poiché la struttura a celle aperte comporta proprietà di isolamento termico ridotte della plastica espansa, limitandone le applicazioni, questo processo utilizza un nuovo poliolo poliestere comprendente una combinazione di XF-2003 e XF-2006, che supera perfettamente le carenze dei processi esistenti. Viene utilizzata la schiumatura a cellule chiuse e il processo è il seguente:

 

Conclusioni e sintesi

La schiumatura a tutta acqua offre i vantaggi di semplicità d'uso, sicurezza e rispetto dell'ambiente; non richiede modifiche alle attrezzature esistenti e, essendo esente da solventi, non presenta rischi per la salute degli operatori. A seguito dell’eliminazione dei clorofluorocarburi (CFC), offre vantaggi significativi nella riduzione del costo dei prodotti finiti.

Attraverso miglioramenti alla loro struttura molecolare, XF-2006 e XF-2003 conferiscono eccellente stabilità dimensionale e proprietà di isolamento termico alla schiuma poliuretanica. Rispetto alla schiumatura a tutta acqua a cellule aperte, offrono maggiori vantaggi e prestazioni superiori; rispetto alla schiumatura di idrofluoroalcani offrono un miglior rapporto qualità-prezzo. Con gli sforzi continui e il continuo sviluppo di nuovi materiali, la schiumatura ad acqua è destinata a diventare una nuova tendenza.