Promocja i zastosowanie polioli poliestrowych dmuchanych wodą

Porównanie właściwości różnych środków porotwórczych do pianki poliuretanowej

Środki porotwórcze stosowane obecnie w piance poliuretanowej obejmują przede wszystkim chlorofluorowęglowodory (CFC), wodorofluorowęglowodory (HFC), pentan i dwutlenek węgla.

1. Chlorofluorowęglowodory (CFC)

CFC-11

CFC-11 ma temperaturę wrzenia 23,7°C i jest cieczą w temperaturze pokojowej. Jest łatwy w obsłudze, ma niskie ciepło parowania i łatwo odparowuje podczas procesu spieniania. Ma niską przewodność cieplną, a powstała pianka wykazuje dobre właściwości termoizolacyjne; jest niepalny i nietoksyczny oraz ma minimalne działanie korozyjne na podłoża poliuretanowe. Choć jest doskonałym środkiem porotwórczym, został wycofany ze względu na znaczne szkody w atmosferycznej warstwie ozonowej, która wpływa na środowisko ekologiczne, od którego zależy przetrwanie człowieka.

bHCF-141b

HCF-141b ma temperaturę wrzenia 32,0°C. Jako przejściowy substytut CFC-11 ma podobne właściwości do CFC-11, ale nadal ma pewien destrukcyjny wpływ na warstwę ozonową atmosfery, przy ODP 0,15; jego stosowanie również zostanie wycofywane po pewnym czasie.

2. Wodorofluorowęglowodory (HFC)

Wodorofluorowęglowodory nie zawierają atomów chloru i mają ODP 0; stanowią wysoce konkurencyjną klasę środków porotwórczych zastępujących CFC-11. Godne uwagi związki w tej klasie obejmują: HFC-245fa, HFC-365mfc i HFC-356mffm. Ich temperatury wrzenia wynoszą odpowiednio 15,3°C, 40°C i 24,9°C. Ponieważ ich temperatura wrzenia jest podobna do temperatury wrzenia CFC-11, istniejący sprzęt wymaga niewielkich modyfikacji podczas użytkowania; jednakże ich wysoki koszt powoduje, że produkty z pianki poliuretanowej są zbyt drogie, co utrudnia ich promocję i przyjęcie.

3. Pentan

Pentan występuje w trzech formach strukturalnych: n-pentan, izopentan i cyklopentan, o temperaturach wrzenia odpowiednio 36°C, 28°C i 49°C. Ma ODP równy 0 i wyższą przewodność cieplną niż CFC-11. Ponieważ jednak pentan jest łatwopalny i tworzy wybuchowe mieszaniny gazów z powietrzem, urządzenia produkcyjne i środowisko pracy muszą zostać zmodyfikowane, aby zapewnić bezpieczną produkcję. Ponadto, ze względu na wydzielanie się pentanu w trakcie użytkowania, produkt nie nadaje się do stosowania w pomieszczeniach zamkniętych, co znacznie ogranicza zakres stosowania pianki poliuretanowej.

4. Dwutlenek węgla

Spienianie dwutlenkiem węgla zazwyczaj wykorzystuje reakcję pomiędzy wodą i izocyjanianem w celu wytworzenia dwutlenku węgla do spieniania, znanego również jako spienianie metodą wdmuchiwania wody. Zwykle stosuje się go w połączeniu z fizycznymi środkami porotwórczymi w celu zmniejszenia wymaganej ilości tych ostatnich. Ponadto reakcja wody i izocyjanianu, w wyniku której powstaje polimocznik, zmienia pewne właściwości pianki poliuretanowej, zwiększając w ten sposób jej wytrzymałość. Jednakże, ponieważ przewodność cieplna dwutlenku węgla jest znacznie większa niż CFC-11, właściwości termoizolacyjne produktu są nieco zmniejszone. Ponadto, ponieważ dwutlenek węgla ucieka szybciej niż powietrze może przedostać się do środka, w pewnym stopniu wpływa to na stabilność wymiarową pianki. Aby zapewnić stabilność wymiarową, na ogół zwiększa się gęstość pianki. Obecnie z sukcesem opracowano procesy i urządzenia do spieniania ciekłego dwutlenku węgla; jednakże ich zastosowanie jest nieco ograniczone ze względu na wysokie inwestycje kapitałowe wymagane w sprzęcie.

 

Metody spieniania pianki poliuretanowej

1. Spienianie fizyczne: polega to na wykorzystaniu reakcji egzotermicznej pomiędzy -OH i -NCO w celu spowodowania odparowania fizycznego środka porotwórczego o niskiej temperaturze wrzenia, tworząc w ten sposób pianę. Przykłady obejmują pentan i HFC-141b.

2. Spienianie chemiczne: polega na spienianiu gazów wytwarzanych w wyniku reakcji chemicznych, głównie w wyniku wytwarzania dwutlenku węgla w reakcji wody z izocyjanianami lub w wyniku rozkładu wodorowęglanów w celu wytworzenia dwutlenku węgla. Obecnie podstawową metodą spieniania jest spienianie poprzez reakcję izocyjanianów z wodą w połączeniu z fizycznym środkiem porotwórczym; poprawia wydajność pianki, jednocześnie zmniejszając koszty produkcji. Spienianie wodorowęglanem jest powszechnie stosowane w przypadku struktur mikrokomórkowych, które mają wyższą twardość i większą gęstość, takich jak produkty z efektem drewna i niektóre profile formowane.

 

Problemy ze spienianiem całkowicie wodnym i ich rozwiązania

Ponieważ do spieniania całkowicie wodnego nie wykorzystuje się fizycznych środków spieniających i ze względu na nieodłączne wady układu spieniającego dwutlenek węgla, zastosowanie zwykłych polioli polieterowych i poliestrowych stwarza szereg problemów, przede wszystkim następujących:

1. Reakcja egzotermiczna jest zbyt intensywna, co powoduje, że jest podatna na spalenie rdzenia i trudna do przeprowadzenia w jednej operacji. Zmniejszając liczbę hydroksylową, a tym samym ograniczając reakcję pomiędzy grupami -OH i -NCO, można zminimalizować ciepło reakcji. Jednocześnie zastosowanie spieniania całkowicie poliestrowego zwiększa temperaturę rozkładu termicznego łańcuchów molekularnych; ponieważ temperatura rozkładu termicznego grup estrowych znacznie przekracza temperaturę wiązań eterowych, produkt jest mniej podatny na rozkład, parowanie i spalanie w wysokich temperaturach. Zapobiega to spalaniu rdzenia i umożliwia produkcję piany w jednym przejściu. W wyniku licznych eksperymentów stwierdzono, że kontrolowanie liczby hydroksylowej poliestropoliolu w zakresie 180–200 mg KOH/g generalnie spełnia wymagania.

2. Słaba stabilność wymiarowa pianki Słaba stabilność wymiarowa jest spowodowana przede wszystkim nadmierną szybkością ucieczki dwutlenku węgla. Aby rozwiązać ten problem, do łańcucha molekularnego poliestru wprowadza się wielorozgałęzioną strukturę, aby zwiększyć szczelność komórek i zmniejszyć szybkość ucieczki dwutlenku węgla. Jednocześnie poprzez zwiększenie gęstości grup funkcyjnych i wprowadzenie do łańcucha molekularnego grup -NH₂, zwiększa się sztywność komórek, poprawiając ich nośność i zapewniając stabilność wymiarową.

3. Wysoka lepkość mieszanki jest szkodliwa dla mieszania i atomizacji czarnych i białych składników. Ponieważ brak fizycznego środka porotwórczego w układzie jest równoznaczny ze zmniejszeniem zawartości rozpuszczalnika, lepkość układu nieuchronnie wzrasta. Można temu zaradzić jedynie poprzez zmniejszenie lepkości poliolu poliestrowego; dlatego do struktury poliestru wprowadza się alkilowe łańcuchy boczne o wyższych masach cząsteczkowych, aby obniżyć stosunek molowy grup estrowych, zmniejszając w ten sposób lepkość poliestru. W praktyce lepkość układu można również zmniejszyć poprzez odpowiednie zwiększenie ilości środka zmniejszającego palność, poprawiając w ten sposób sypkość mieszanki oraz ułatwiając mieszanie i atomizację z izocyjanianem.

4. Zmniejszona izolacyjność cieplna i zwiększona przewodność cieplna. Chociaż CO₂ ma wyższą przewodność cieplną niż CFC-11, możemy poprawić właściwości termoizolacyjne pianki, zwiększając gęstość komórek i zmniejszając konwekcję cieplną pomiędzy CO₂ a powietrzem.

5. Słaba stabilność podczas przechowywania. Zużycie wody w przypadku spieniania całkowicie wodnego jest wyższe niż w przypadku istniejących metod spieniania; a kontakt wody z różnymi dodatkami i środkami zmniejszającymi palność nieuchronnie prowadzi do pewnego stopnia hydrolizy, spowalniając szybkość reakcji podczas spieniania. Wprowadzając grupy hydrofilowe na końcowych końcach poliestru, cząsteczki wody są trwale blokowane na końcach łańcuchów molekularnych poliestru poprzez wiązanie wodorowe. Stosowanie emulsji typu woda w oleju zmniejsza prawdopodobieństwo kontaktu cząsteczek wody z dodatkami i środkami zmniejszającymi palność, minimalizując w ten sposób hydrolizę i poprawiając stabilność surowców podczas przechowywania.

 

Specyfikacje techniczne spienionego poliestru na bazie wody

Ponieważ spieniony poliester na bazie wody wymaga uwzględnienia hydrofilowości, gęstości komórek, sztywności komórek i lepkości samego poliestru, trudno jest pracować przy użyciu pojedynczego poliestropoliolu. Obecnie stosujemy mieszankę dwóch poliestrów: XF-2003 i XF-2006. XF-2003 jest poliestrem na bazie wody, który w pewnym stopniu miesza się z wodą. XF-2006 zawiera strukturę wielorozgałęzioną i pewną ilość -NH₂, a jego parametry techniczne są następujące:

 

 

 

Proces spieniania poliestru na całą wodę i wydajność produktu

Obecnie pianka do pełnego rozdmuchiwania wodą wykorzystuje proces spieniania o otwartych komórkach. Po pierwsze, zapewnia to stabilność wymiarową; po drugie, zmniejsza ryzyko spalenia rdzenia. Ponieważ jednak struktura otwartokomórkowa powoduje zmniejszenie właściwości termoizolacyjnych tworzywa piankowego, ograniczając jego zastosowanie, w procesie tym wykorzystuje się nowatorski poliol poliestrowy będący kombinacją XF-2003 i XF-2006, który doskonale przezwycięża wady istniejących procesów. Stosuje się spienianie o zamkniętych komórkach, a proces przebiega następująco:

 

Wnioski i podsumowanie

Spienianie całkowicie wodą oferuje zalety prostej obsługi, bezpieczeństwa i przyjazności dla środowiska; nie wymaga modyfikacji istniejącego sprzętu, a ponieważ nie zawiera rozpuszczalników, nie stwarza zagrożenia dla zdrowia operatorów. Po wycofaniu chlorofluorowęglowodorów (CFC) zapewnia on znaczne korzyści w postaci obniżenia kosztów gotowych produktów.

Dzięki ulepszeniom struktury molekularnej XF-2006 i XF-2003 nadają piance poliuretanowej doskonałą stabilność wymiarową i właściwości termoizolacyjne. W porównaniu ze spienianiem całkowicie wodnym o otwartych komórkach oferują one większe zalety i doskonałą wydajność; w porównaniu ze spienianiem wodorofluoroalkanów zapewniają lepszy stosunek jakości do ceny. Dzięki ciągłym wysiłkom i ciągłemu rozwojowi nowych materiałów, spienianie całkowicie wodą stanie się nowym trendem.