Khuyến khích và ứng dụng Polyol Polyester thổi nước

So sánh tính chất của các chất thổi khác nhau đối với bọt Polyurethane

Các chất tạo bọt hiện đang được sử dụng trong bọt polyurethane chủ yếu bao gồm chlorofluorocarbons (CFC), hydrofluorocarbons (HFC), pentane và carbon dioxide.

1. Clorofluorocarbon (CFC)

một CFC-11

CFC-11 có nhiệt độ sôi là 23,7°C và ở dạng lỏng ở nhiệt độ phòng. Nó dễ dàng xử lý, có nhiệt hóa hơi thấp và dễ bay hơi trong quá trình tạo bọt. Nó có độ dẫn nhiệt thấp và bọt tạo thành có đặc tính cách nhiệt tốt; nó không bắt lửa và không độc hại, đồng thời có tác dụng ăn mòn tối thiểu đối với chất nền polyurethane. Mặc dù nó là một chất tạo bọt tuyệt vời nhưng nó đã bị loại bỏ dần do gây thiệt hại đáng kể cho tầng ozone trong khí quyển, ảnh hưởng đến môi trường sinh thái mà sự sống còn của con người phụ thuộc vào.

b HCF-141b

HCF-141b có nhiệt độ sôi là 32,0 °C. Là chất thay thế chuyển tiếp cho CFC-11, nó có các đặc tính tương tự CFC-11 nhưng vẫn có tác động phá hủy nhất định đối với tầng ozone trong khí quyển, với ODP là 0,15; việc sử dụng nó cũng sẽ bị loại bỏ sau một thời gian nhất định.

2. Hydrofluorocarbon (HFC)

Hydrofluorocarbon không chứa nguyên tử clo và có ODP bằng 0; chúng là loại chất tạo bọt thay thế CFC-11 có tính cạnh tranh cao. Các hợp chất đáng chú ý trong lớp này bao gồm: HFC-245fa, HFC-365mfc và HFC-356mffm. Điểm sôi của chúng lần lượt là 15,3 ° C, 40 ° C và 24,9 ° C. Vì điểm sôi của chúng tương tự như điểm sôi của CFC-11 nên thiết bị hiện có ít cần sửa đổi trong quá trình sử dụng; tuy nhiên, chi phí cao khiến các sản phẩm bọt polyurethane trở nên đắt đỏ, cản trở việc quảng bá và áp dụng chúng.

3. Pentan

Pentane tồn tại ở ba dạng cấu trúc: n-pentane, isopentane và cyclopentane, với nhiệt độ sôi lần lượt là 36 °C, 28 °C và 49 °C. Nó có ODP bằng 0 và độ dẫn nhiệt cao hơn CFC-11. Tuy nhiên, vì pentane dễ cháy và tạo thành hỗn hợp khí dễ nổ với không khí nên thiết bị sản xuất và môi trường làm việc phải được điều chỉnh để đảm bảo sản xuất an toàn. Hơn nữa, do pentane thoát ra trong quá trình sử dụng nên sản phẩm không phù hợp để sử dụng trong không gian kín, điều này hạn chế nghiêm trọng phạm vi ứng dụng của bọt polyurethane.

4. Carbon Dioxide

Tạo bọt bằng carbon dioxide thường sử dụng phản ứng giữa nước và isocyanate để tạo ra carbon dioxide để tạo bọt, còn được gọi là tạo bọt bằng nước. Nó thường được sử dụng kết hợp với các chất tạo bọt vật lý để giảm số lượng cần thiết. Hơn nữa, phản ứng giữa nước và isocyanate để tạo thành polyurea làm thay đổi một số tính chất nhất định của bọt polyurethane, do đó tăng cường độ bền của bọt. Tuy nhiên, do độ dẫn nhiệt của carbon dioxide lớn hơn nhiều so với CFC-11 nên hiệu suất cách nhiệt của sản phẩm có phần giảm đi. Hơn nữa, do carbon dioxide thoát ra nhanh hơn không khí có thể xâm nhập nên độ ổn định kích thước của bọt bị ảnh hưởng ở một mức độ nhất định. Để đảm bảo sự ổn định về kích thước, mật độ bọt thường được tăng lên. Hiện nay, các quy trình và thiết bị tạo bọt carbon dioxide lỏng đã được phát triển thành công; tuy nhiên, việc sử dụng chúng có phần hạn chế do yêu cầu vốn đầu tư lớn cho thiết bị.

 

Phương pháp tạo bọt cho bọt Polyurethane

1. Tạo bọt vật lý: Điều này liên quan đến việc sử dụng phản ứng tỏa nhiệt giữa -OH và -NCO để làm cho chất tạo bọt vật lý có nhiệt độ sôi thấp bốc hơi, từ đó tạo ra bọt. Ví dụ bao gồm pentane và HFC-141b.

2. Tạo bọt hóa học: Điều này liên quan đến việc tạo bọt bằng cách sử dụng các khí được tạo ra bởi các phản ứng hóa học, chủ yếu thông qua việc tạo ra carbon dioxide từ phản ứng giữa nước và isocyanate hoặc thông qua quá trình phân hủy bicarbonate để tạo ra carbon dioxide. Tạo bọt thông qua phản ứng của isocyanate với nước, kết hợp với chất tạo bọt vật lý, hiện là phương pháp tạo bọt chính; nó cải thiện hiệu suất bọt trong khi giảm chi phí sản xuất. Tạo bọt bicarbonate thường được sử dụng cho các cấu trúc vi mô, có độ cứng cao hơn và mật độ lớn hơn, chẳng hạn như các sản phẩm có hiệu ứng gỗ và một số cấu hình đúc nhất định.

 

Các vấn đề với việc tạo bọt bằng nước và giải pháp

Vì việc tạo bọt hoàn toàn bằng nước không sử dụng chất tạo bọt vật lý và do những sai sót vốn có của hệ thống tạo bọt carbon dioxide, việc sử dụng polyether và polyol polyester thông thường gây ra một số vấn đề, chủ yếu như sau:

1. Phản ứng tỏa nhiệt quá mạnh khiến lõi dễ bị cháy và khó thực hiện chỉ trong một thao tác. Bằng cách giảm giá trị hydroxyl và do đó hạn chế phản ứng giữa các nhóm -OH và -NCO, nhiệt của phản ứng có thể được giảm thiểu. Đồng thời, việc sử dụng chất tạo bọt hoàn toàn bằng polyester làm tăng nhiệt độ phân hủy nhiệt của chuỗi phân tử; do nhiệt độ phân hủy nhiệt của các nhóm este vượt xa nhiệt độ phân hủy nhiệt của liên kết ete nên sản phẩm ít bị phân hủy, hóa hơi và cháy ở nhiệt độ cao. Điều này ngăn cản việc đốt cháy lõi và cho phép tạo bọt chỉ trong một lần vận hành. Sau nhiều thử nghiệm, người ta thấy rằng việc kiểm soát giá trị hydroxyl của polyol polyester trong khoảng 180–200 mg KOH/g thường đáp ứng được yêu cầu.

2. Độ ổn định kích thước kém của bọt Độ ổn định kích thước kém chủ yếu là do tốc độ thoát khí carbon dioxide quá mức. Để giải quyết vấn đề này, một cấu trúc đa nhánh được đưa vào chuỗi phân tử polyester để tăng độ kín khí của tế bào và giảm tốc độ thoát khí carbon dioxide. Đồng thời, bằng cách tăng mật độ nhóm chức năng và đưa các nhóm -NH₂ vào chuỗi phân tử, độ cứng của tế bào được tăng cường, cải thiện khả năng chịu áp lực và đảm bảo sự ổn định về kích thước của chúng.

3. Độ nhớt cao của hỗn hợp gây bất lợi cho việc trộn và nguyên tử hóa các thành phần đen và trắng. Vì sự vắng mặt của chất tạo bọt vật lý trong hệ thống tương đương với việc giảm hàm lượng dung môi nên độ nhớt của hệ thống chắc chắn sẽ tăng lên. Điều này chỉ có thể được giải quyết bằng cách giảm độ nhớt của polyol polyester; do đó, chuỗi bên alkyl có trọng lượng phân tử cao hơn được đưa vào cấu trúc polyester để giảm tỷ lệ mol của các nhóm este, từ đó làm giảm độ nhớt của polyester. Trong thực tế, độ nhớt của hệ thống cũng có thể được giảm bằng cách tăng lượng chất chống cháy một cách thích hợp, từ đó cải thiện khả năng chảy của hỗn hợp và tạo điều kiện thuận lợi cho việc trộn và nguyên tử hóa isocyanate.

4. Giảm hiệu suất cách nhiệt và tăng tính dẫn nhiệt. Mặc dù CO₂ có độ dẫn nhiệt cao hơn CFC-11, nhưng chúng tôi có thể cải thiện hiệu suất cách nhiệt của bọt bằng cách tăng mật độ tế bào và giảm sự đối lưu nhiệt giữa CO₂ và không khí.

5. Độ ổn định lưu trữ kém. Mức tiêu thụ nước trong quá trình tạo bọt toàn nước cao hơn so với các phương pháp tạo bọt hiện có; và sự tiếp xúc giữa nước với các chất phụ gia và chất chống cháy khác nhau chắc chắn sẽ dẫn đến sự thủy phân ở một mức độ nào đó, làm chậm tốc độ phản ứng trong quá trình tạo bọt. Bằng cách đưa các nhóm ưa nước vào các đầu cuối của polyester, các phân tử nước được khóa chắc chắn ở các đầu của chuỗi phân tử polyester thông qua liên kết hydro. Sử dụng nhũ tương nước trong dầu làm giảm khả năng các phân tử nước tiếp xúc với các chất phụ gia và chất chống cháy, từ đó giảm thiểu quá trình thủy phân và cải thiện độ ổn định khi bảo quản nguyên liệu thô.

 

Thông số kỹ thuật của Polyester tạo bọt gốc nước

Vì polyester tạo bọt gốc nước đòi hỏi phải xem xét tính ưa nước, mật độ tế bào, độ cứng của tế bào và độ nhớt của chính polyester nên rất khó vận hành khi sử dụng một polyol polyester duy nhất. Hiện tại, chúng tôi sử dụng hỗn hợp hai loại polyester: XF-2003 và XF-2006. XF-2003 là polyester gốc nước có khả năng hòa trộn nhất định với nước. XF-2006 chứa cấu trúc đa nhánh và một lượng -NH₂ nhất định, đồng thời các thông số kỹ thuật của nó như sau:

 

 

 

Quy trình tạo bọt cho chất liệu Polyester toàn nước và hiệu suất sản phẩm

Bọt thổi toàn phần hiện chủ yếu sử dụng quy trình tạo bọt dạng ô mở. Thứ nhất, điều này đảm bảo sự ổn định về kích thước; thứ hai, nó làm giảm nguy cơ cháy lõi. Tuy nhiên, do cấu trúc ô hở làm giảm đặc tính cách nhiệt của nhựa xốp, hạn chế các ứng dụng của nó, nên quy trình này sử dụng polyol polyester mới bao gồm sự kết hợp của XF-2003 và XF-2006, khắc phục hoàn hảo những thiếu sót của các quy trình hiện có. Tạo bọt tế bào kín được sử dụng và quy trình như sau:

 

Kết luận và tóm tắt

Tạo bọt hoàn toàn bằng nước mang lại ưu điểm là vận hành đơn giản, an toàn và thân thiện với môi trường; nó không yêu cầu sửa đổi thiết bị hiện có và không chứa dung môi nên không gây rủi ro cho sức khỏe của người vận hành. Sau khi loại bỏ dần chlorofluorocarbons (CFC), nó mang lại những lợi thế đáng kể trong việc giảm giá thành thành phẩm.

Thông qua những cải tiến về cấu trúc phân tử, XF-2006 và XF-2003 mang lại tính ổn định kích thước và đặc tính cách nhiệt tuyệt vời cho bọt polyurethane. So với tạo bọt toàn nước dạng ô mở, chúng mang lại những lợi thế lớn hơn và hiệu suất vượt trội; so với tạo bọt hydrofluoroalkane, chúng mang lại giá trị tốt hơn so với số tiền bỏ ra. Với những nỗ lực không ngừng và sự phát triển không ngừng của các vật liệu mới, việc tạo bọt hoàn toàn bằng nước chắc chắn sẽ trở thành một xu hướng mới.