V naslednjih razdelkih je pojasnjen viskoelastični razvoj poliuretanske pene po fazah, pri čemer so združeni reakcijski mehanizmi, opazovani pojavi in ​​praktični vidiki proizvodnje.

1. Osnovni pojmi

1. Viskoznost

Viskoznost predstavlja upor materiala proti pretoku in odraža njegovo viskozno obnašanje. Višja viskoznost pomeni slabšo pretočnost.

2. Elastičnost

Elastičnost se nanaša na sposobnost materiala, da si po deformaciji povrne prvotno obliko. Večja elastičnost zagotavlja boljšo odpornost proti deformacijam in zrušitvi pene.

3. Gel točka

Točka geliranja je kritični prehod, pri katerem se sistem spremeni iz tekoče tekočine v netekočo trdno mrežo. Je najpomembnejša ločilna točka v procesu penjenja.

4. Splošni trend

Med penjenjem se viskoznost nenehno povečuje, medtem ko se elastičnost postopoma razvija od zelo šibke do prevladujoče. Po želiranju postane elastičnost vodilna značilnost sistema.

2. Viskoelastična evolucija s stopnjo penjenja

1. faza: Začetna faza mešanja (indukcijsko obdobje pred časom kreme)

Država

Poliol, izocianat in dodatki so bili pravkar zmešani. Kemijske reakcije potekajo počasi, nastajanje plinov je minimalno in sistem ostane homogena tekočina.

Viskoelastične lastnosti

• Nizka viskoznost in odlična tekočnost.
• Praktično brez elastičnosti.
• Pod vplivom zunanje sile material prosto teče in deformacija je nepovratna.

Vzrok spremembe

Molekularne verige še niso tvorile pomembnih zamreženj. Hitrost reakcije NCO–OH ostaja nizka in polimerna mreža se še ni vzpostavila.

Opazovanje proizvodnje

Zmes je prozorna ali le rahlo mlečna in prosto teče.

2. faza: kremasta faza (začetek penjenja)

Država

Reakcijske hitrosti se pospešijo. Voda reagira z izocianatom in pri tem nastanejo znatne količine CO₂. Sistem postane bel, pojavijo se majhni mehurčki in začne se začetna ekspanzija.

Viskoelastične lastnosti

• Viskoznost se hitro povečuje, ko se tvorijo oligomeri in daljše molekularne verige.
• Šibka elastičnost se začne pojavljati zaradi nastanka predhodnih verižnih povezav.
• Sistem ostaja pretežno viskozen in še naprej teče in se razteza.

Ključna značilnost

Mehurčki nenehno nastajajo in rastejo. Sistem se za zapiranje plinskih mehurčkov in preprečevanje uhajanja plina zanaša predvsem na svojo viskoznost.

3. faza: Faza vzpona (obdobje intenzivnega penjenja pred želiranjem)

Država

Reakcijske hitrosti dosežejo vrhunec. Nastanejo velike količine plina, volumen pene se hitro poveča in celice hitro rastejo. To je najpomembnejša faza za nastanek pene.

Viskoelastične lastnosti

• Viskoznost še naprej močno narašča.
• Pretočnost se znatno zmanjša.
• Reakcije zamreženja se intenzivirajo, zaradi česar se elastičnost hitro poveča.
• Viskoelastično obnašanje postane bolj izrazito in se postopoma preusmeri proti elastični prevladi.
• Material razvije natezno trdnost in odpornost proti zlomu.

Ko se pena raztegne, se deformira, vendar se delno obnovi, ko sila preneha delovati. Rastoči mehurčki ostanejo učinkovito stabilizirani znotraj matrice.

Posledice za proces

• Če elastičnost ni zadostna in prevladuje viskoznost, lahko mehurčki počijo, se združijo ali sesedejo.
• Če se elastičnost razvije prezgodaj ali premočno, je raztezanje pene omejeno, kar ima za posledico večjo končno gostoto.

4. faza: Gel točka (kritična prehodna faza)

Država

V bistvu se vzpostavi tridimenzionalna zamrežena mreža. Penjenje in želiranje dosežeta ravnovesje, zaradi česar je to najpomembnejša točka v celotnem procesu.

Viskoelastična transformacija

• Sistem izgubi sposobnost pretoka.
• Navidezna viskoznost se približuje neskončnosti.
• Elastičnost postane prevladujoča lastnost.
• Deformacija postane predvsem elastična, s hitrim okrevanjem po stiskanju ali raztezanju.
• Celične strukture se trajno fiksirajo, ko se celične stene strdijo.

Pomen proizvodnje

• Prezgodnja gelacija lahko povzroči nepopolno ekspanzijo in visoko gostoto pene.
• Če se želiranje pojavi prepozno, lahko to povzroči izgubo plina, krčenje pene in porušitev.

5. faza: Faza strjevanja in zorenja (po želiranju)

Država

Preostale reaktivne skupine še naprej reagirajo in dodatno krepijo zamreženo mrežo. Širjenje pene preneha in material se postopoma strdi.

Viskoelastične lastnosti

• Gostota zamreženja se še naprej povečuje.
• Togost se postopoma povečuje.
• Elastičnost se stabilizira.

Za fleksibilno peno:

• Visoka elastičnost je ohranjena.
• Ohranja se dobra odpornost in žilavost.

Za trdo peno:

• Elastičnost se zmanjša.
• Material prehaja v togo trdno stanje.
• Deformacija postane bolj plastična kot elastična.

Preostale notranje napetosti obstajajo sprva, vendar se med strjevanjem postopoma sproščajo, kar omogoča stabilizacijo viskoelastičnih lastnosti.

Nadaljnje spremembe

Po zadostnem strjevanju pri sobnih pogojih postane zamreženje v bistvu popolno, mehanske in viskoelastične lastnosti pa ostanejo relativno stabilne.

3. Ključni dejavniki, ki vplivajo na viskoelastično obnašanje

1. Katalizatorji (najpomembnejši kontrolni dejavnik)

Katalizatorji za pihanje

• Pospešite nastajanje plina.
• Spodbuja zgodnejši razvoj viskoznosti.
• Poskrbite za hitrejšo ekspanzijo pene.

Gel katalizatorji

• Pospešite reakcije zamreženja.
• Vzpostavite elastično mrežo prej.
• Skrajšajte čas geliranja.

Neravnovesje katalizatorja

Nepravilno ravnovesje med katalizatorji za pihanje in geliranje moti ujemanje penjenja in geliranja, popači viskoelastični profil in lahko povzroči kolaps pene, krčenje ali grobe celične strukture.

2. Temperatura surovine

Višja temperatura

• Pospeši splošno hitrost reakcij.
• Poveča stopnjo razvoja viskoznosti in elastičnosti.
• Povzroča prezgodnje želiranje.

Nižja temperatura

• Upočasni hitrost reakcij.
• Povzroči postopnejše povečanje viskoelastičnih lastnosti.
• Zavlačuje želiranje in povečuje tveganje za izgubo plinov.

3. Indeks NCO (izocianatni indeks)

Visok indeks podčastnikov

• Spodbuja močnejše zamreženje.
• Hitreje poveča elastičnost in togost.
• Proizvaja bolj krhko peno.

Nizek indeks podčastnikov

• Posledica je nezadostno zamreženje.
• Vodi do slabše elastičnosti in večje preostale viskoznosti.
• Proizvaja mehkejšo peno z večjo deformacijo in slabšim okrevanjem.

4. Površinsko aktivne snovi in ​​polnila

Silikonske površinsko aktivne snovi

• Izboljšajte nadzor nad medfazno napetostjo.
• Spodbuja enakomerno viskoelastično porazdelitev po celotni peni.
• Preprečite neenakomerne celične strukture, ki jih povzročajo lokalizirane razlike v viskoznosti ali elastičnosti.

Anorganska polnila

• Povečajte začetno viskoznost sistema.
• Zmanjšajte elastičnost.
• Naredite penasto strukturo na splošno bolj togo.

5. Struktura poliola

Visokofunkcionalni polioli

• Lažje tvorijo gosto zamreženo mrežo.
• Hitro povečajte elastičnost in togost.

Visokomolekularni, dolgoverižni polioli

• Zagotovite postopnejši postopek zamreženja.
• Ustvarite mehkejše elastično obnašanje.
• Ohranite viskoznost dlje časa.
• Značilne so za formulacije fleksibilne pene.

4. Povzetek: Splošni viskoelastičen trend med penjenjem

V bistvu je celoten proces penjenja reološka transformacija, pri kateri se sistem razvija izčisto viskozna tekočinavtridimenzionalna zamrežena elastomerna mreža.

Ravnovesje medekspanzija in želiranje pene, kar se odraža v spreminjajočih se viskoelastičnih lastnostih sistema, neposredno določa končno strukturo pene, dimenzijsko stabilnost in splošno kakovost izdelka.