Promoção e aplicação de polióis de poliéster soprados com água

Comparação das propriedades de vários agentes de expansão para espuma de poliuretano

Os agentes de expansão usados ​​atualmente em espuma de poliuretano incluem principalmente clorofluorocarbonetos (CFCs), hidrofluorocarbonetos (HFCs), pentano e dióxido de carbono.

1. Clorofluorcarbonos (CFCs)

um CFC-11

O CFC-11 tem ponto de ebulição de 23,7 °C e é líquido à temperatura ambiente. É fácil de manusear, tem baixo calor de vaporização e vaporiza facilmente durante o processo de formação de espuma. Possui baixa condutividade térmica e a espuma resultante apresenta boas propriedades de isolamento térmico; não é inflamável nem tóxico e tem efeito corrosivo mínimo em substratos de poliuretano. Embora seja um excelente agente de expansão, foi gradualmente eliminado devido aos danos significativos à camada de ozônio atmosférica, que afeta o ambiente ecológico do qual depende a sobrevivência humana.

bHCF-141b

O HCF-141b tem um ponto de ebulição de 32,0 °C. Como substituto transitório do CFC-11, possui propriedades semelhantes ao CFC-11, mas ainda tem certo efeito destrutivo na camada de ozônio atmosférica, com um ODP de 0,15; a sua utilização também será extinta após um determinado período.

2. Hidrofluorocarbonetos (HFCs)

Os hidrofluorocarbonetos não contêm átomos de cloro e têm um ODP de 0; eles são uma classe altamente competitiva de agentes de expansão de substituição do CFC-11. Compostos notáveis ​​nesta classe incluem: HFC-245fa, HFC-365mfc e HFC-356mffm. Seus pontos de ebulição são 15,3 °C, 40 °C e 24,9 °C, respectivamente. Como os seus pontos de ebulição são semelhantes aos do CFC-11, os equipamentos existentes requerem poucas modificações durante a utilização; no entanto, o seu elevado custo faz com que os produtos de espuma de poliuretano sejam proibitivamente caros, o que dificulta a sua promoção e adopção.

3. Pentano

O pentano existe em três formas estruturais: n-pentano, isopentano e ciclopentano, com pontos de ebulição de 36 °C, 28 °C e 49 °C respectivamente. Possui um ODP de 0 e uma condutividade térmica superior ao CFC-11. No entanto, como o pentano é inflamável e forma misturas gasosas explosivas com o ar, o equipamento de produção e o ambiente de trabalho devem ser modificados para garantir uma produção segura. Além disso, devido ao escape de pentano durante a utilização, o produto é inadequado para utilização em espaços fechados, o que limita severamente o âmbito de aplicação da espuma de poliuretano.

4. Dióxido de Carbono

A formação de espuma de dióxido de carbono geralmente utiliza a reação entre água e isocianato para gerar dióxido de carbono para formação de espuma, também conhecida como formação de espuma soprada por água. É normalmente usado em combinação com agentes de expansão físicos para reduzir a quantidade necessária destes últimos. Além disso, a reação entre a água e o isocianato para formar a poliureia altera certas propriedades da espuma de poliuretano, aumentando assim a resistência da espuma. Contudo, como a condutividade térmica do dióxido de carbono é muito superior à do CFC-11, o desempenho de isolamento térmico do produto é um pouco reduzido. Além disso, como o dióxido de carbono escapa mais rapidamente do que o ar pode entrar, a estabilidade dimensional da espuma é afectada até certo ponto. Para garantir a estabilidade dimensional, a densidade da espuma é geralmente aumentada. Atualmente, processos e equipamentos de formação de espuma de dióxido de carbono líquido foram desenvolvidos com sucesso; no entanto, a sua utilização é um tanto limitada devido ao elevado investimento de capital necessário para o equipamento.

 

Métodos de formação de espuma para espuma de poliuretano

1. Formação física de espuma: envolve a utilização da reação exotérmica entre -OH e -NCO para fazer com que um agente de expansão físico de baixo ponto de ebulição se vaporize, produzindo assim espuma. Exemplos incluem pentano e HFC-141b.

2. Formação de espuma química: envolve a formação de espuma utilizando gases gerados por reações químicas, principalmente através da produção de dióxido de carbono a partir da reação entre água e isocianatos, ou através da decomposição de bicarbonatos para produzir dióxido de carbono. A formação de espuma através da reação de isocianatos com água, combinada com um agente de expansão físico, é atualmente o principal método de formação de espuma; melhora o desempenho da espuma enquanto reduz os custos de produção. A espuma de bicarbonato é geralmente utilizada para estruturas microcelulares, que apresentam maior dureza e maior densidade, como produtos com efeito de madeira e certos perfis moldados.

 

Problemas com a formação de espuma totalmente em água e suas soluções

Como a formação de espuma totalmente aquosa não utiliza agentes espumantes físicos, e devido às falhas inerentes do sistema de formação de espuma de dióxido de carbono, o uso de poliéteres e polióis de poliéster comuns apresenta uma série de problemas, principalmente os seguintes:

1. A reação exotérmica é muito intensa, tornando-a propensa à queima do núcleo e difícil de realizar em uma única operação. Ao reduzir o valor hidroxila e, assim, limitar a reação entre os grupos -OH e -NCO, o calor da reação pode ser minimizado. Ao mesmo tempo, o uso de espuma totalmente de poliéster aumenta a temperatura de decomposição térmica das cadeias moleculares; como a temperatura de decomposição térmica dos grupos éster excede em muito a das ligações éter, o produto é menos propenso à decomposição, vaporização e combustão a altas temperaturas. Isto evita a queima do núcleo e permite a produção de espuma em uma operação de passagem única. Após numerosos experimentos, descobriu-se que o controle do valor hidroxila do poliéster poliol na faixa de 180-200 mg KOH/g geralmente atende aos requisitos.

2. Fraca estabilidade dimensional da espuma A fraca estabilidade dimensional é causada principalmente pela taxa excessiva de escape de dióxido de carbono. Para resolver isto, uma estrutura multi-ramificada é introduzida na cadeia molecular do poliéster para aumentar a estanqueidade das células e reduzir a taxa de escape de dióxido de carbono. Ao mesmo tempo, ao aumentar a densidade do grupo funcional e introduzir grupos -NH₂ na cadeia molecular, a rigidez das células é aumentada, melhorando a sua capacidade de suportar pressão e garantindo a sua estabilidade dimensional.

3. A elevada viscosidade da mistura é prejudicial à mistura e atomização dos componentes pretos e brancos. Como a ausência de um agente de expansão físico no sistema equivale a uma redução no teor de solvente, a viscosidade do sistema aumenta inevitavelmente. Isto só pode ser resolvido reduzindo a viscosidade do poliéster poliol; portanto, cadeias laterais alquílicas com pesos moleculares mais elevados são introduzidas na estrutura do poliéster para diminuir a proporção molar dos grupos éster, reduzindo assim a viscosidade do poliéster. Na prática, a viscosidade do sistema também pode ser reduzida aumentando apropriadamente a quantidade de retardador de chama, melhorando assim a fluidez da mistura e facilitando a mistura e a atomização com o isocianato.

4. Redução do desempenho de isolamento térmico e aumento da condutividade térmica. Embora o CO₂ tenha uma condutividade térmica superior ao CFC-11, podemos melhorar o desempenho do isolamento térmico da espuma aumentando a densidade das células e reduzindo a convecção térmica entre o CO₂ e o ar.

5. Fraca estabilidade de armazenamento. O consumo de água na espumação totalmente aquosa é maior do que nos métodos de espumação existentes; e o contato entre a água e vários aditivos e retardadores de chama leva inevitavelmente a algum grau de hidrólise, diminuindo a taxa de reação durante a formação de espuma. Ao introduzir grupos hidrofílicos nas extremidades terminais do poliéster, as moléculas de água são firmemente fixadas nas extremidades das cadeias moleculares do poliéster através de ligações de hidrogénio. O uso de uma emulsão de água em óleo reduz a probabilidade de moléculas de água entrarem em contato com aditivos e retardadores de chama, minimizando assim a hidrólise e melhorando a estabilidade de armazenamento das matérias-primas.

 

Especificações Técnicas para Espuma de Poliéster à Base de Água

Como a espuma de poliéster à base de água requer consideração da hidrofilicidade, da densidade celular, da rigidez celular e da viscosidade do próprio poliéster, é difícil operar usando um único poliéster poliol. Atualmente utilizamos uma mistura de dois poliésteres: XF-2003 e XF-2006. XF-2003 é um poliéster à base de água com certo grau de miscibilidade com água. O XF-2006 contém uma estrutura multiramificada e uma certa quantidade de -NH₂, e suas especificações técnicas são as seguintes:

 

 

 

Processo de formação de espuma para poliéster totalmente aquático e desempenho do produto

A espuma totalmente soprada com água atualmente emprega principalmente um processo de formação de espuma de células abertas. Em primeiro lugar, isto garante a estabilidade dimensional; em segundo lugar, reduz o risco de queima do núcleo. No entanto, como a estrutura de células abertas resulta em propriedades de isolamento térmico reduzidas da espuma plástica, limitando suas aplicações, este processo utiliza um novo poliéster poliol compreendendo uma combinação de XF-2003 e XF-2006, que supera perfeitamente as deficiências dos processos existentes. A formação de espuma de células fechadas é empregada e o processo é o seguinte:

 

Conclusões e Resumo

A formação de espuma totalmente aquática oferece as vantagens de operação simples, segurança e respeito ao meio ambiente; não requer modificações nos equipamentos existentes e, por ser isento de solventes, não representa riscos à saúde dos operadores. Após a eliminação progressiva dos clorofluorcarbonos (CFC), oferece vantagens significativas na redução do custo dos produtos acabados.

Através de melhorias em sua estrutura molecular, o XF-2006 e o ​​XF-2003 conferem excelente estabilidade dimensional e propriedades de isolamento térmico à espuma de poliuretano. Em comparação com a espumação totalmente aquosa de células abertas, eles oferecem maiores vantagens e desempenho superior; em comparação com a formação de espuma de hidrofluoroalcano, eles oferecem uma melhor relação custo-benefício. Com esforços contínuos e o desenvolvimento contínuo de novos materiais, a espumação totalmente aquosa certamente se tornará uma nova tendência.