Hva skjer med boblene i polyuretan-skum under ekspansjon?

Under ekspansjonen av polyuretan-skum oppstår flere fysiske prosesser som er avgjørende for skummets egenskaper. Høyt trykk i de små cellene, på flere bar, fører til dannelsen av ustabile bobler. Disse boblene har en høy rate for nedbrytning, ettersom de er metastabile og kan enten vokse eller oppløses igjen, avhengig av størrelsen på boblene. Boblene i den nydannede skumtypen er sferiske, men deres størrelse er heterogen og kan variere mellom 1 og 100 µm. Etter hvert som tiden går, vil de mindre boblene gradvis forsvinne, mens de større boblene vokser. Dette fenomenet kan forklares ved hjelp av Young og Laplaces teorier om trykkforskjeller mellom små og store bobler.

Teorien beskriver hvordan trykkforskjellen mellom gasstrykket i en liten boble og gasstrykket i en større boble bestemmes av deres radier. Når radien til den store boblen er mye større enn den lille, kan trykkforskjellen som fører til gassdiffusjon anses som proporsjonal med trykket i den lille boblen. Dette fører til en prosess hvor de små boblene mister gass, som diffunderer inn i de større boblene, og til slutt forsvinner de små boblene helt. Denne prosessen, kjent som disproportjonering eller Ostwald ripening, skjer på grunn av høyere gasstrykk i de små boblene som forårsaker diffusjon av gass til de større boblene.

Etter hvert som skummet ekspanderer og boblene begynner å pakke seg sammen, dannes en tett boblestruktur. Dette skjer når skummet har nådd en tetthet på rundt 300 kg/m3, og når tettheten når 200 kg/m3, begynner flere membraner å dannes per celle. På dette tidspunktet har boblene dannet et nettverk, og dette kalles "jamming" – en fase hvor boblene begynner å blokkere hverandre, og viskositeten til skummet øker betydelig. Fra dette punktet er det ikke lenger lett å spre væsken, og skummet begynner å oppføre seg mer som en fast eller geléaktig substans. I denne fasen skjer videre ekspansjon ved at mer gass diffunderer inn i cellene, og skummet vokser samtidig som temperaturen stiger på grunn av eksoterme reaksjoner.

Skummets struktur utvikler seg kontinuerlig gjennom ekspansjonsprosessen, og forståelsen av hvordan bobler samhandler, hva som forårsaker deres vekst eller tap, og hvordan dette påvirker den endelige strukturen, er avgjørende for å kontrollere skumproduksjonen.

I tillegg til de fysiske prosessene som er beskrevet, er det viktig å forstå at disse prosessene er sterkt avhengige av kjemiske forhold, som viskositet, overflatespenning og temperatur. For eksempel, en reduksjon i overflatespenningen til væsken fremmer dannelsen av bobler, da det kreves mindre energi for å danne en boble. På den annen side kan høyere temperaturer føre til økt diffusjon og raskere ekspansjon av skummet. Disse faktorene spiller en sentral rolle i hvordan skummet vil utvikle seg under produksjonen, og i hvilken grad det vil beholde sin struktur og egenskaper.

Hvordan temperatur og reaksjonshastighet påvirker strukturen i stive skumplasttyper

I produksjonen av PIR (polyisocyanurat) og PU (polyuretan) stive skumplastprodukter er det viktig å forstå de ulike fasene og temperaturforandringene som skjer under reaksjonen. Både reaksjonshastigheten og den termiske utviklingen spiller en avgjørende rolle for sluttproduktets kvalitet, spesielt når det gjelder styrke og stabilitet.

Under denne prosessen kan temperaturen på skummets overflate være nesten identisk med temperaturen i kjernen fram til geleringen skjer. Etter dette begynner temperaturforskjellen mellom overflaten og kjernen å øke, ettersom reaksjonshastigheten avtar og overflaten går inn i vitrifikasjonsfasen, hvilket kan hemme full herding. Dette kan medføre at overflaten blir mer skjør, spesielt i PIR-skum, som har en tendens til å gjennomgå raskere isocyanuratdannelse ved høyere temperaturer, noe som akselererer den eksoterme reaksjonen. Dette fører til en raskere ekspansjon av skummet, også kjent som "andre heving".

PIR-skum har et høyere krysslinkingsnivå og et mer aromatisk innhold enn PU-skum, noe som gir en høyere Tg∞ på opptil 200 °C eller mer. Likevel, i mange tilfeller vil Tmax være lavere enn Tg∞, noe som kan føre til ufullstendig herding i både kjerne og overflate. Denne prosessen kan også føre til dannelsen av skjærlag i skummet, som er et defekt med redusert kompresjonsstyrke, og det er viktig å være oppmerksom på dette når man lager PIR-skumplater eller -paneler. Et optimalt forhold mellom startmaterialene og riktig katalysatorbehandling kan bidra til å minimere utfordringene knyttet til andre heving og skjærlag.

En annen faktor som er viktig for å forstå strukturen i stive skumplastmaterialer, er celleinnholdet, cellestørrelsen og celleanisotropien. For PU-stive skumplasttyper er celleinnholdet et avgjørende aspekt for varmeisolasjonsevnen, da høyere lukket celleinnhold reduserer varmeledningen. For å oppnå stabile celler og god isolasjon, er det essensielt å kontrollere forholdet mellom vann og blåsereaksjonsmidler. Økt vanninnhold kan føre til åpne celler og dermed redusert termisk ytelse, mens redusert vanninnhold fremmer stabilisering av cellene.

En viktig del av produksjonsprosessen for stive skumplasttyper er kontrollen av cellestørrelse og anisotropi, hvor cellene i lavdensitetsskummene vanligvis har en størrelse på 150 til 300 mikrometer. Celleorienteringen i skummet er også viktig, ettersom cellene er anisotrope og orientert i retning av ekspansjonen. Denne orienteringen påvirker mekaniske egenskaper som kompresjonsstyrke og skjærfasthet, og kan være avgjørende for bruksområder som isolasjon og strukturelle applikasjoner.

Når produksjonen av stive skumplasttyper står overfor utfordringer som dårlig reaksjonskontroll eller temperaturavvik, kan det medføre betydelige tap i kvaliteten på sluttproduktet. Derfor er en nøye balansert prosesskontroll essensiell for å oppnå ønsket ytelse, både når det gjelder fysisk struktur og mekaniske egenskaper.

Endtext

Hvordan fremstilles polyisocyanater og hvilke prosessrike faktorer bestemmer deres egenskaper?

Aromatiske polyisocyanater, med høyere reaktivitet mot polyoler og en typisk rigid struktur, gir polyuretanmaterialer med overlegne mekaniske egenskaper og lavere produksjonskostnader; MDI og TDI dominerer verdensmarkedet og står for >95 % av produksjonen. Andre aromatiske forbindelser (NDI, PPDI, TODI) anvendes for høyytelses elastomerer. Alifatiske isocyanater (HDI, IPDI, H12MDI, TMXDI og mer nylig biobasert PDI) spiller en underordnet rolle industrielt, men er uunnværlige der ikke‑gulning og værbestandighet er krav, særlig i belegg.

Syntesen begynner vanligvis fra aromatiske hydrokarboner (benzener, toluener) som nitreres og hydrogenes til tilsvarende aminer. Den kritiske konverteringen til isocyanat skjer via phosgenering, en totrinns prosess hvor først en carbamoylklorid dannes og deretter dekomponeres til isocyanat og HCl. Phosgen (COCl2) er et svært giftig, fargeløst gassformig acylklorid (kokepunkt 8 °C) med dødelige konsentrasjoner rapportert som ca. 500 ppm ved ett minutts eksponering og 5 ppm ved en time; dette krever strenge industriprosedyrer for å minimalisere lager og eksponering og for å integrere phosgenproduksjon og -forbruk tett.

“Cold‑hot‑phosgenation” eller base‑phosgenation er industriens standard: aminen og phosgen løses i et inert løsemiddel (vanligvis o‑diklorbenzen), amineløsningen dispergeres i phosgen v