Promotie en toepassing van watergeblazen polyesterpolyolen

Vergelijking van de eigenschappen van verschillende blaasmiddelen voor polyurethaanschuim

De blaasmiddelen die momenteel in polyurethaanschuim worden gebruikt, omvatten voornamelijk chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's), fluorkoolwaterstoffen (HFK's), pentaan en kooldioxide.

1. Chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's)

een CFC-11

CFC-11 heeft een kookpunt van 23,7 °C en is vloeibaar bij kamertemperatuur. Het is gemakkelijk te hanteren, heeft een lage verdampingswarmte en verdampt gemakkelijk tijdens het schuimproces. Het heeft een lage thermische geleidbaarheid en het resulterende schuim vertoont goede thermische isolatie-eigenschappen; het is niet brandbaar en niet giftig en heeft een minimaal corrosief effect op polyurethaansubstraten. Hoewel het een uitstekend blaasmiddel is, is het uitgefaseerd vanwege de aanzienlijke schade aan de ozonlaag in de atmosfeer, die de ecologische omgeving aantast waarvan het voortbestaan ​​van de mens afhankelijk is.

bHCF-141b

HCF-141b heeft een kookpunt van 32,0 °C. Als overgangsvervanger voor CFC-11 bezit het vergelijkbare eigenschappen als CFC-11, maar heeft het nog steeds een zeker destructief effect op de atmosferische ozonlaag, met een ODP van 0,15; het gebruik ervan zal na een bepaalde periode ook worden uitgefaseerd.

2. Fluorkoolwaterstoffen (HFK's)

Fluorkoolwaterstoffen bevatten geen chlooratomen en hebben een ODP van 0; ze vormen een zeer competitieve klasse van CFC-11-vervangende blaasmiddelen. Opmerkelijke verbindingen in deze klasse zijn onder meer: ​​HFC-245fa, HFC-365mfc en HFC-356mffm. Hun kookpunten zijn respectievelijk 15,3 °C, 40 °C en 24,9 °C. Omdat hun kookpunten vergelijkbaar zijn met die van CFC-11, vereist bestaande apparatuur tijdens het gebruik weinig aanpassingen; de hoge kosten ervan leiden er echter toe dat polyurethaanschuimproducten onbetaalbaar duur zijn, wat de promotie en acceptatie ervan belemmert.

3. Pentaan

Pentaan bestaat in drie structurele vormen: n-pentaan, isopentaan en cyclopentaan, met kookpunten van respectievelijk 36 °C, 28 °C en 49 °C. Het heeft een ODP van 0 en een hogere thermische geleidbaarheid dan CFC-11. Omdat pentaan echter ontvlambaar is en explosieve gasmengsels vormt met lucht, moeten de productieapparatuur en de werkomgeving worden aangepast om een ​​veilige productie te garanderen. Bovendien is het product vanwege het vrijkomen van pentaan tijdens gebruik niet geschikt voor gebruik in besloten ruimtes, wat de toepassingsmogelijkheden van polyurethaanschuim ernstig beperkt.

4. Kooldioxide

Bij het schuimen met kooldioxide wordt doorgaans gebruik gemaakt van de reactie tussen water en isocyanaat om kooldioxide te genereren voor het schuimen, ook wel watergeblazen schuimen genoemd. Het wordt doorgaans gebruikt in combinatie met fysieke blaasmiddelen om de benodigde hoeveelheid daarvan te verminderen. Bovendien verandert de reactie tussen water en isocyanaat om polyurea te vormen bepaalde eigenschappen van polyurethaanschuim, waardoor de sterkte van het schuim wordt vergroot. Omdat de thermische geleidbaarheid van kooldioxide echter veel groter is dan die van CFC-11, zijn de thermische isolatieprestaties van het product enigszins verminderd. Omdat kooldioxide sneller ontsnapt dan lucht kan binnendringen, wordt bovendien de dimensionele stabiliteit van het schuim tot op zekere hoogte beïnvloed. Om de dimensionele stabiliteit te garanderen, wordt de schuimdichtheid doorgaans verhoogd. Momenteel zijn er met succes processen en apparatuur voor het schuimen van vloeibare koolstofdioxide ontwikkeld; het gebruik ervan is echter enigszins beperkt vanwege de hoge kapitaalinvestering die voor de apparatuur nodig is.

 

Schuimmethoden voor polyurethaanschuim

1. Fysisch schuimen: hierbij wordt gebruik gemaakt van de exotherme reactie tussen -OH en -NCO om een ​​fysisch blaasmiddel met een laag kookpunt te laten verdampen, waardoor schuim ontstaat. Voorbeelden hiervan zijn pentaan en HFC-141b.

2. Chemisch schuimen: hierbij wordt schuim gebruikt met behulp van gassen die worden gegenereerd door chemische reacties, voornamelijk door de productie van kooldioxide uit de reactie tussen water en isocyanaten, of door de ontleding van bicarbonaten om kooldioxide te produceren. Schuimen via de reactie van isocyanaten met water, gecombineerd met een fysisch blaasmiddel, is momenteel de primaire schuimmethode; het verbetert de schuimprestaties terwijl de productiekosten worden verlaagd. Schuimen met bicarbonaat wordt over het algemeen gebruikt voor microcellulaire structuren, die een hogere hardheid en grotere dichtheid hebben, zoals producten met houteffect en bepaalde gevormde profielen.

 

Problemen met volledig waterschuim en hun oplossingen

Omdat bij volledig waterschuimen geen gebruik wordt gemaakt van fysieke schuimmiddelen, en vanwege de inherente gebreken van het kooldioxide-schuimsysteem, levert het gebruik van gewone polyether- en polyesterpolyolen een aantal problemen op, voornamelijk als volgt:

1. De exotherme reactie is te intens, waardoor deze gevoelig is voor kernverbranding en moeilijk in één keer kan worden uitgevoerd. Door het hydroxylgetal te verlagen en daardoor de reactie tussen -OH- en -NCO-groepen te beperken, kan de reactiewarmte worden geminimaliseerd. Tegelijkertijd verhoogt het gebruik van volledig polyesterschuim de thermische ontledingstemperatuur van de moleculaire ketens; Omdat de thermische ontledingstemperatuur van estergroepen veel hoger is dan die van etherbindingen, is het product minder gevoelig voor ontleding, verdamping en verbranding bij hoge temperaturen. Dit voorkomt kernverbranding en maakt de productie van schuim in één doorgang mogelijk. Na talrijke experimenten is gebleken dat het regelen van de hydroxylwaarde van het polyesterpolyol binnen het bereik van 180-200 mg KOH/g over het algemeen aan de eisen voldoet.

2. Slechte dimensionele stabiliteit van het schuim. Slechte dimensionele stabiliteit wordt voornamelijk veroorzaakt door de overmatige snelheid waarmee kooldioxide ontsnapt. Om dit aan te pakken, wordt een meervoudig vertakte structuur in de moleculaire keten van polyester geïntroduceerd om de luchtdichtheid van de cellen te vergroten en de snelheid waarmee kooldioxide ontsnapt te verminderen. Tegelijkertijd wordt door het verhogen van de functionele groependichtheid en het introduceren van -NH₂-groepen in de moleculaire keten de stijfheid van de cellen verbeterd, waardoor hun drukdragende vermogen wordt verbeterd en hun dimensionele stabiliteit wordt gewaarborgd.

3. De hoge viscositeit van het mengsel is nadelig voor de menging en verneveling van de zwart-witte componenten. Omdat de afwezigheid van een fysisch blaasmiddel in het systeem equivalent is aan een vermindering van het oplosmiddelgehalte, neemt de viscositeit van het systeem onvermijdelijk toe. Dit kan alleen worden aangepakt door de viscositeit van het polyesterpolyol te verlagen; daarom worden alkylzijketens met hogere molecuulgewichten in de polyesterstructuur geïntroduceerd om de molaire verhouding van estergroepen te verlagen, waardoor de viscositeit van de polyester wordt verlaagd. In de praktijk kan de viscositeit van het systeem ook worden verlaagd door de hoeveelheid vlamvertrager op passende wijze te vergroten, waardoor de stroombaarheid van het mengsel wordt verbeterd en het mengen en vernevelen met het isocyanaat wordt vergemakkelijkt.

4. Verminderde thermische isolatieprestaties en verhoogde thermische geleidbaarheid. Hoewel CO₂ een hogere thermische geleidbaarheid heeft dan CFC-11, kunnen we de thermische isolatieprestaties van het schuim verbeteren door de dichtheid van de cellen te vergroten en de thermische convectie tussen CO₂ en lucht te verminderen.

5. Slechte opslagstabiliteit. Het waterverbruik bij volledig waterschuimen is hoger dan bij bestaande schuimmethoden; en contact tussen water en verschillende additieven en vlamvertragers leidt onvermijdelijk tot een zekere mate van hydrolyse, waardoor de reactiesnelheid tijdens het schuimen wordt vertraagd. Door hydrofiele groepen aan de eindstandige uiteinden van polyester te introduceren, worden watermoleculen via waterstofbinding stevig vastgezet aan de uiteinden van de moleculaire ketens van polyester. Het gebruik van een water-in-olie-emulsie verkleint de kans dat watermoleculen in contact komen met additieven en vlamvertragers, waardoor hydrolyse wordt geminimaliseerd en de opslagstabiliteit van de grondstoffen wordt verbeterd.

 

Technische specificaties voor geschuimd polyester op waterbasis

Omdat op water gebaseerde geschuimde polyester rekening moet houden met hydrofiliteit, celdichtheid, celstijfheid en de viscositeit van de polyester zelf, is het moeilijk om te werken met een enkele polyesterpolyol. Momenteel gebruiken we een mengsel van twee polyesters: XF-2003 en XF-2006. XF-2003 is een polyester op waterbasis met een zekere mate van mengbaarheid met water. XF-2006 bevat een meervoudig vertakte structuur en een bepaalde hoeveelheid -NH₂, en de technische specificaties zijn als volgt:

 

 

 

Schuimproces voor all-water polyester en productprestaties

Volwaterblaasschuim maakt momenteel meestal gebruik van een opencelschuimproces. Ten eerste zorgt dit voor maatvastheid; ten tweede vermindert het het risico op kernverbranding. Omdat de opencelstructuur echter resulteert in verminderde thermische isolatie-eigenschappen van het schuimplastic, waardoor de toepassingen ervan worden beperkt, maakt dit proces gebruik van een nieuw polyesterpolyol dat een combinatie van XF-2003 en XF-2006 omvat, dat de tekortkomingen van bestaande processen perfect overwint. Er wordt schuimvorming met gesloten cellen toegepast en het proces is als volgt:

 

Conclusies en samenvatting

Volledig waterschuimen biedt de voordelen van eenvoudige bediening, veiligheid en milieuvriendelijkheid; het vereist geen aanpassingen aan bestaande apparatuur en omdat het oplosmiddelvrij is, vormt het geen gezondheidsrisico's voor de operators. Na de geleidelijke afschaffing van chloorfluorkoolwaterstoffen (CFK's) biedt het aanzienlijke voordelen bij het verlagen van de kosten van eindproducten.

Door verbeteringen aan hun moleculaire structuur verlenen XF-2006 en XF-2003 uitstekende maatvastheid en thermische isolatie-eigenschappen aan polyurethaanschuim. Vergeleken met volledig waterschuim met open cellen bieden ze grotere voordelen en superieure prestaties; vergeleken met hydrofluoralkaanschuim bieden ze een betere prijs-kwaliteitverhouding. Met voortdurende inspanningen en de voortdurende ontwikkeling van nieuwe materialen zal schuimen met volledig water ongetwijfeld een nieuwe trend worden.