Suyla Üflemeli Polyester Poliollerin Tanıtımı ve Uygulaması

Poliüretan Köpük İçin Çeşitli Şişirme Maddelerinin Özelliklerinin Karşılaştırılması

Şu anda poliüretan köpükte kullanılan şişirici maddeler arasında öncelikle kloroflorokarbonlar (CFC'ler), hidroflorokarbonlar (HFC'ler), pentan ve karbon dioksit yer alır.

1. Kloroflorokarbonlar (CFC'ler)

bir CFC-11

CFC-11'in kaynama noktası 23,7 °C'dir ve oda sıcaklığında sıvıdır. Kullanımı kolaydır, buharlaşma ısısı düşüktür ve köpürme işlemi sırasında kolayca buharlaşır. Düşük ısı iletkenliğine sahiptir ve elde edilen köpük iyi ısı yalıtım özellikleri sergiler; yanıcı ve toksik değildir ve poliüretan yüzeyler üzerinde minimum düzeyde aşındırıcı etkiye sahiptir. Mükemmel bir şişirme maddesi olmasına rağmen, insanın hayatta kalmasının bağlı olduğu ekolojik çevreyi etkileyen atmosferik ozon tabakasına verdiği önemli hasar nedeniyle aşamalı olarak kullanımdan kaldırılmıştır.

bHCF-141b

HCF-141b'nin kaynama noktası 32,0 °C'dir. CFC-11'in geçici bir ikamesi olarak, CFC-11'e benzer özelliklere sahiptir ancak yine de 0,15'lik bir ODP ile atmosferik ozon tabakası üzerinde belirli bir yıkıcı etkiye sahiptir; kullanımı da belirli bir süre sonra aşamalı olarak kaldırılacaktır.

2. Hidroflorokarbonlar (HFC'ler)

Hidroflorokarbonlar klor atomu içermez ve ODP'si 0'dır; Bunlar oldukça rekabetçi bir CFC-11 yedek şişirme maddesi sınıfıdır. Bu sınıftaki dikkate değer bileşikler şunları içerir: HFC-245fa, HFC-365mfc ve HFC-356mffm. Kaynama noktaları sırasıyla 15,3 °C, 40 °C ve 24,9 °C'dir. Kaynama noktaları CFC-11'inkine benzer olduğundan, mevcut ekipman kullanım sırasında çok az değişiklik gerektirir; ancak yüksek maliyetleri, poliüretan köpük ürünlerinin fahiş derecede pahalı olmasına neden olur ve bu da onların tanıtımını ve benimsenmesini engeller.

3. Pentan

Pentan üç yapısal biçimde bulunur: n-pentan, izopentan ve siklopentan; kaynama noktaları sırasıyla 36°C, 28°C ve 49°C'dir. ODP'si 0'dır ve CFC-11'den daha yüksek bir termal iletkenliğe sahiptir. Ancak pentan yanıcı olduğundan ve hava ile patlayıcı gaz karışımları oluşturduğundan, üretim ekipmanlarının ve çalışma ortamının güvenli üretim sağlayacak şekilde değiştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca kullanım sırasında pentan sızıntısı nedeniyle ürün kapalı alanlarda kullanıma uygun değildir, bu da poliüretan köpüğün uygulama kapsamını ciddi şekilde sınırlandırır.

4. Karbon Dioksit

Karbondioksit köpürtme, aynı zamanda su üflemeli köpükleme olarak da bilinen, köpürtme için karbon dioksit üretmek amacıyla genellikle su ve izosiyanat arasındaki reaksiyonu kullanır. Tipik olarak, gerekli ikincisinin miktarını azaltmak için fiziksel şişirme maddeleri ile kombinasyon halinde kullanılır. Ayrıca, poliüre oluşturmak üzere su ve izosiyanat arasındaki reaksiyon, poliüretan köpüğün bazı özelliklerini değiştirerek köpüğün mukavemetini artırır. Ancak karbondioksitin ısı iletkenliği CFC-11'inkinden çok daha yüksek olduğundan ürünün ısı yalıtım performansı bir miktar azalır. Ayrıca karbondioksit havanın girebileceğinden daha hızlı kaçtığı için köpüğün boyutsal stabilitesi bir miktar etkilenir. Boyutsal stabiliteyi sağlamak için köpük yoğunluğu genellikle arttırılır. Şu anda, sıvı karbon dioksit köpürtme prosesleri ve ekipmanları başarıyla geliştirilmiştir; ancak ekipman için gereken yüksek sermaye yatırımı nedeniyle kullanımları bir miktar sınırlıdır.

 

Poliüretan Köpük için Köpükleme Yöntemleri

1. Fiziksel köpürtme: Bu, düşük kaynama noktalı bir fiziksel şişirme maddesinin buharlaşmasına neden olmak ve böylece köpük üretmek için -OH ve -NCO arasındaki ekzotermik reaksiyonun kullanılmasını içerir. Örnekler pentan ve HFC-141b'yi içerir.

2. Kimyasal köpürtme: Bu, esas olarak su ve izosiyanatlar arasındaki reaksiyondan karbondioksit üretimi yoluyla veya karbon dioksit üretmek için bikarbonatların ayrışması yoluyla kimyasal reaksiyonlarla üretilen gazları kullanarak köpürtmeyi içerir. İzosiyanatların su ile reaksiyonu yoluyla köpürtme, fiziksel bir şişirme maddesi ile bir araya getirilerek şu anda birincil köpükleştirme yöntemidir; Üretim maliyetlerini azaltırken köpük performansını artırır. Bikarbonat köpürtme genellikle ahşap efektli ürünler ve bazı kalıplanmış profiller gibi daha yüksek sertliğe ve daha fazla yoğunluğa sahip mikro hücresel yapılar için kullanılır.

 

Tamamen su köpüğü ile ilgili sorunlar ve çözümleri

Tamamen su köpürtmede fiziksel köpürtme maddeleri kullanılmadığından ve karbon dioksit köpürtme sisteminin doğasında olan kusurlardan dolayı, sıradan polieter ve polyester poliollerin kullanımı, öncelikle aşağıdaki gibi bir dizi soruna yol açar:

1. Ekzotermik reaksiyon çok yoğun olduğundan çekirdek yanmasına yatkın hale gelir ve tek bir işlemle gerçekleştirilmesi zordur. Hidroksil değerini azaltarak ve dolayısıyla -OH ve -NCO grupları arasındaki reaksiyonu sınırlandırarak reaksiyonun ısısı en aza indirilebilir. Aynı zamanda, tamamen polyester köpüklemenin kullanılması, moleküler zincirlerin termal ayrışma sıcaklığını arttırır; Ester gruplarının termal ayrışma sıcaklığı eter bağlarınınkini çok aştığından, ürün yüksek sıcaklıklarda ayrışmaya, buharlaşmaya ve yanmaya daha az eğilimli olur. Bu, çekirdeğin yanmasını önler ve tek geçişli bir işlemde köpük üretimine olanak sağlar. Çok sayıda deneyin ardından, polyester poliolün hidroksil değerinin 180-200 mg KOH/g aralığında kontrol edilmesinin genel olarak gereksinimleri karşıladığı bulunmuştur.

2. Köpüğün zayıf boyutsal stabilitesi Zayıf boyutsal stabilitenin temel nedeni, karbondioksitin aşırı oranda kaçmasıdır. Bu sorunu çözmek için, hücrelerin hava geçirmezliğini artırmak ve karbondioksit kaçış hızını azaltmak amacıyla polyester moleküler zincirine çok dallı bir yapı eklenir. Aynı zamanda fonksiyonel grup yoğunluğunun arttırılması ve moleküler zincire -NH₂ gruplarının eklenmesiyle hücrelerin sertliği artırılır, basınç taşıma kapasiteleri geliştirilir ve boyutsal stabiliteleri sağlanır.

3. Karışımın yüksek viskozitesi, siyah ve beyaz bileşenlerin karıştırılması ve atomizasyonu açısından zararlıdır. Sistemde fiziksel bir şişirici maddenin bulunmaması solvent içeriğinin azalmasına eşdeğer olduğundan sistemin viskozitesi kaçınılmaz olarak artar. Bu ancak polyester poliolün viskozitesinin azaltılmasıyla çözülebilir; bu nedenle, ester gruplarının molar oranını düşürmek için polyester yapısına daha yüksek moleküler ağırlığa sahip alkil yan zincirler eklenir, böylece polyesterin viskozitesi azalır. Uygulamada, sistemin viskozitesi, alev geciktirici miktarının uygun şekilde arttırılmasıyla da azaltılabilir, böylece karışımın akışkanlığı geliştirilir ve izosiyanat ile karıştırılması ve atomizasyonu kolaylaştırılır.

4. Isı yalıtım performansında azalma ve ısı iletkenliğinde artış. CO₂, CFC-11'den daha yüksek bir ısı iletkenliğine sahip olmasına rağmen, hücrelerin yoğunluğunu artırarak ve CO₂ ile hava arasındaki ısı taşınımını azaltarak köpüğün ısı yalıtım performansını geliştirebiliriz.

5. Zayıf depolama stabilitesi. Tamamen su köpürtmede su tüketimi mevcut köpüklendirme yöntemlerine göre daha yüksektir; ve su ile çeşitli katkı maddeleri ve alev geciktiriciler arasındaki temas, kaçınılmaz olarak bir dereceye kadar hidrolize yol açarak köpükleme sırasında reaksiyon hızını yavaşlatır. Polyester terminal uçlarına hidrofilik grupların eklenmesiyle su molekülleri, hidrojen bağı yoluyla polyester moleküler zincirlerin uçlarına sıkı bir şekilde kilitlenir. Yağ içinde su emülsiyonunun kullanılması, su moleküllerinin katkı maddeleri ve alev geciktiricilerle temas etme olasılığını azaltır, böylece hidrolizi en aza indirir ve ham maddelerin depolama stabilitesini artırır.

 

Su Bazlı Köpüklü Polyesterin Teknik Özellikleri

Su bazlı köpüklü polyester hidrofilikliğin, hücre yoğunluğunun, hücre sertliğinin ve polyesterin kendisinin viskozitesinin dikkate alınmasını gerektirdiğinden, tek bir polyester poliol kullanılarak çalıştırılması zordur. Şu anda iki polyesterin bir karışımını kullanıyoruz: XF-2003 ve XF-2006. XF-2003, suyla belirli bir derecede karışabilirliğe sahip, su bazlı bir polyesterdir. XF-2006 çok dallı bir yapıya ve belirli miktarda -NH₂'ye sahip olup, teknik özellikleri aşağıdaki gibidir:

 

 

 

Tüm Sularda Kullanılabilen Polyester İçin Köpükleme Prosesi ve Ürün Performansı

Tam su üflemeli köpük şu anda çoğunlukla açık hücreli bir köpükleştirme işlemi kullanmaktadır. İlk olarak bu, boyutsal kararlılığı sağlar; ikincisi çekirdek yanması riskini azaltır. Bununla birlikte, açık hücreli yapı, köpük plastiğin ısı yalıtım özelliklerinin azalmasına yol açarak uygulamalarını sınırladığından, bu işlemde, mevcut işlemlerin eksikliklerinin mükemmel bir şekilde üstesinden gelen, XF-2003 ve XF-2006'nın bir kombinasyonunu içeren yeni bir polyester poliol kullanılır. Kapalı hücreli köpükleme kullanılır ve işlem aşağıdaki gibidir:

 

Sonuçlar ve Özet

Tamamen su köpürtme, basit kullanım, güvenlik ve çevre dostu olmanın avantajlarını sunar; mevcut ekipmanda herhangi bir değişiklik yapılmasını gerektirmez ve solvent içermediğinden operatörler için herhangi bir sağlık riski oluşturmaz. Kloroflorokarbonların (CFC'ler) aşamalı olarak ortadan kaldırılmasının ardından, bitmiş ürünlerin maliyetinin azaltılmasında önemli avantajlar sunmaktadır.

Moleküler yapılarında yapılan iyileştirmeler sayesinde XF-2006 ve XF-2003, poliüretan köpük üzerine mükemmel boyutsal stabilite ve ısı yalıtım özellikleri kazandırır. Açık hücreli, tamamen su köpüğüyle karşılaştırıldığında, daha büyük avantajlar ve üstün performans sunarlar; Hidrofloroalkan köpürtmeyle karşılaştırıldığında paranın karşılığını daha iyi verirler. Devam eden çabalar ve yeni malzemelerin sürekli geliştirilmesiyle, tamamen su köpüğünün yeni bir trend haline gelmesi kaçınılmazdır.