Mikrofaseskillet begynner snart etter starten av reaksjonen, og umiddelbart etter det dannes hydrogenbindinger mellom urea-gruppene. Polyol-rike og urea-rike faser utvikler seg jevnt over volumer, og viser en sammenvevd morfologi med lamellær ordning. Konturene av den endelige fase-morfologien er allerede kartlagt ved starten av fase-separasjonen, med en lengdeskala som er satt av polyolens gyreringsradius. Etter hvert som reaksjonen fortsetter, vokser fasene i amplitude, og videre dannelse av urea og hydrogenbindinger i urea fører til vitrifikasjon av de harde fasene. Vitrifikasjonen fryser mikrofase-dannelsen, og dermed økes polymerens styrke. Den resulterende morfologien består av et sammenkoblet fysisk nettverk av hydrogenbundet urea-harde blokker innenfor det tverrbindede polyeter-uretanskummet.

I produksjon av fleksible skum er en avgjørende fase åpningen av cellene nær slutten av skumstigningen. Celleåpningen utløses av polymergelering, som har fysisk opprinnelse og skjer når de harde domenene begynner å vitrifiere. Den mekaniske styrken polymeren har oppnådd ved celleåpning bestemmer stabiliteten til det stigende skummet, som igjen bestemmer tettheten og cellepore-dannelsen til skummet.

Cellens åpning observeres av skumprodusenten som en "blåse-av" – den plutselige opphøringen av skumutvidelsen, preget av at overflateboblene sprekker og frigjøring av gass under trykk. Når celleåpning skjer, stopper skumutvidelsen brått, og skummet trekker seg litt tilbake. Tidligere ble det konkludert med at den plutselige geleringen eller stivningen av polymeren utløste celleåpningen. Den plutselige stivningen skjer imidlertid godt før den kjemiske geleringen, og derfor viser polymeren en modulus, men mangler mekanisk styrke i fravær av et kovalent nettverk. Derfor kan ikke cellemembranene tåle belastningen som følger av den videre utvidelsen av cellene, og cellemembranene brister, noe som setter i gang celleåpningsprosessen.

For eksempel, i en serie TDI-slabstock skumformuleringer med økende vanninnhold fra 2 til 6 deler per 100 deler vekt polyol, økte den beregnede konverteringen ved kjemisk gelering fra 84 til 90% ettersom vanninnholdet økte. Den eksperimentelt bestemte konverteringen av boble-sprekking fant imidlertid sted mye tidligere enn den kjemiske geleringen og sank med økende vanninnhold fra 82 til 50%.

Studier av celleåpning gjennom en kombinasjon av sanntids IR og SAXS, samt reologi, har videre raffinert forståelsen av skum- og celleåpningsprosessen. MDI-basert oppskrift i denne studien viste redusert reaktivitet og opprettholdt stabil skumdannelse til celleåpning. SAXS og IR-målinger ble brukt for å bestemme kinetikken for fase-separasjon. Fire stadier av skum-reologisk utvikling ble observert: i) blanding og boblenukleering, ii) flytende skum ekspansjon og mikrofase-separasjon, iii) fysisk gelering som utløser celleåpning, og iv) fullføring av den fleksible skumstrukturen.

I første fase begynner blandingen og den innledende bobledannelsen og avsluttes når boblenettet er dannet, noe som skjer ved en konvertering på omtrent 30%. Med videre reaksjon og generering av karbondioksid ekspanderer skummet videre. En økning i spredningsintensiteten ble observert i SAXS ved en isocyanat-konvertering på 52%, noe som markerer starten på mikrofase-separasjonens overgang. Spredningsintensiteten og hydrogenbindingene i urea økte raskt etter starten av fase-separasjon, noe som indikerer utviklingen av de harde fasene på grunn av den pågående dannelsen av urea. På dette stadiet var den molære massen og viskositeten til den reagerende væsken fortsatt lav, og skummets elastiske lagringsmodul (G’) viste en bred plateaeverdi til omtrent 70% konvertering. Når denne konverteringen ble nådd, ble fase-separasjonsprosessen avbrutt av vitrifikasjonen av de harde fasene, og de harde fasene nådde en Tg lik reaksjonstemperaturen. Vitrifikasjonen av de harde domenene fryser morfologien, og den raske økningen i spredningsintensiteten og urea-hydrogenbindingene bremset ned. Makroskopisk sett hadde skummet nådd sitt gel-punkt, og celleåpning fant sted, noe som markerte slutten på fase to.

I tredje fase er det en betydelig økning i G’ av skummet, omtrent to størrelsesordener, som et resultat av videre vitrifikasjon av den harde fasen og samtidig herding av polymeren. I den fjerde og siste fasen fortsetter reaksjonen, men i mye langsommere tempo på grunn av diffusionskontroll og uttømming av reaktive grupper. Skummet når sin maksimale temperatur med tid og full konvertering.

Det er viktig å merke seg at den morfologiske utviklingen og den endelige morfologien av MDI- og TDI-baserte systemer er like, uavhengig av polyolen som brukes.

Cellene er lukkede under skumexpansjon, og gasstrykket som genereres av karbondioksid produsert i urea-reaksjonen ekspanderer skummet. Ved celleåpning slipper gassen ut, trykket i skummet faller, og ekspansjonen stopper. For å tåle celleåpningshendelsen må skumstruttene være sterke nok til å bære vekten av skummet. Når gassen slipper ut, trekker skummet seg tilbake, typisk mellom 1 og 10 % av sin maksimale høyde. Den fortsatte reaksjonen styrker skummet, og etter 1-3 minutter er skummet sterkt nok til å håndteres. Konverteringen ved celleåpning bestemmer tettheten og luftgjennomtrengeligheten til det endelige skummet. Når celleåpning skjer for tidlig, og struttene ikke har oppnådd tilstrekkelig styrke til å håndtere trykkfallet, vil skummet ved celleåpning være ustabilt. Når styrken og stabiliteten til polymerstruttene reduseres ved celleåpning, kan skummet vise sterk tilbakegang med økt skumtetthet, eller, i mer alvorlige tilfeller, skumoppløsning eller til og med skumkollaps. På den andre siden, når celleåpning er forsinket, kan celleåpningen være ufullstendig. Skummet kan være "stramt" og ha dårlig luftstrøm ved deformasjon eller vise kraftig krymping ved høyt innhold av lukkede celler.

Celleåpningsprosessen er et kritisk moment i produksjonen av fleksible skum, da tidspunktet for celleåpning direkte påvirker skummets egenskaper som tetthet, stabilitet og strukturelle integritet.

Hvordan polymolmassens økning påvirker egenskapene til fleksible skumplastmaterialer

Egenskapene til fleksible skumplastmaterialer kan endres betydelig med økende molar masse av polyolene som benyttes i produksjonen. Ved høyere molar masse, oppstår en markant mykning av skummet, og dette reflekteres i redusert G’-verdi, som angir skummets stivhet, samt en høyere verdi for tan δ, som viser forholdet mellom elastisk og viskøs respons ved ulike temperaturer. Disse endringene er særlig merkbare ved romtemperatur, der både G’ og tapstapfaktoren reduseres, noe som indikerer at skummet blir mer motstandsdyktig og samtidig mer elastisk.

Skum laget av polyoler med økt molar masse, som kalles formede polyoler, har en høyere ball-reboundresiliens enn de laget av standard slab-polyoler. Ball-rebound, som er et mål på skummets evne til å komme tilbake til sin opprinnelige form etter deformasjon, overstiger 50 % for formede polyoler, mens den for slab-polyoler ligger mellom 30 og 40 %. Denne økningen i resiliens kan tilskrives den økte molekylvekten, som gir materialet mer elastisitet.

Temperaturpåvirkningen på fleksible skum viser at harde domener i polymermatrisen begynner å mykne ved høyere temperaturer. Ved rundt 150 °C kan man observere en liten overgang i G’-kurven, mens tan δ viser en topp ved ca. 170-176 °C. Dette innebærer at ved høye temperaturer mykner de fysiske krysslinkene, men de kjemiske krysslinkene tar over, noe som bidrar til at skummet beholder sin strukturelle integritet.

Kompresjonshardhet, som beskriver skummets evne til å motstå trykk, bestemmes ved en kompresjons- og dekompresjonstest som tar hensyn til energitapet under syklusen. Dette tapet er en indikator på komforten skummet gir ved belastning. Kompresjon- og belastningskurvene til høykvalitetsfleksible skumplastmaterialer viser et elastisk lineært område etterfulgt av et platå hvor stressen øker kraftig. Når cellene i skummet kollapser under høyt trykk, dannes elastiske hengsler, og stivheten i materialet øker. Dette området er viktig for å definere hvor mye kompresjon skummet tåler før det mister evnen til å gjenopprette sin form.

Hardheten til skummet kan også justeres ved å endre polymerens moduli eller densiteten til skummet. Den elastiske Young’s modulus (E*) for skummet er nært knyttet til polymerens moduli (Es) og densiteten til skummet (ρ). En økning i polymerens moduli eller densitet fører til et hardere skum. Dette kan oppnås ved å tilsette fyllstoffer eller ved å justere isocyanatindeksen i produksjonen. Den vanligste metoden for å endre hardheten er å bruke en graft-polyol, som øker stivheten uten å påvirke overgangen mellom de harde og myke fasene i polymermatrisen. Ved å tilføre spesifikke fyllstoffer kan skumets moduli økes, men samtidig vil overgangstemperaturen for den myke fasen også stige, noe som kan redusere skummets resiliens.

Den spesifikke effekten av tettheten og innholdet av fyllstoffer i skummet er avgjørende for den endelige komforten til produktet. For eksempel kan skum med et støtteforhold (SAG-faktor) mellom 2,5 og 3 gi høy komfort, da dette forholdet beskriver balansen mellom hvordan skummet synker inn under belastning og den støttende kraften som utvikles. En skummateriale med høy densitet og riktig polyolformulering er viktig for å oppnå en optimal balanse mellom støtte og mykhet.

En annen viktig faktor for å vurdere kvaliteten på fleksible skumplastmaterialer er ball-rebound-testen, som gir praktisk informasjon om skummets evne til å komme tilbake etter deformasjon. Denne testen kan påvirkes av luftgjennomtrengeligheten til skummet, da mer åpen celle-struktur kan føre til en høyere rebound-verdi. På den andre siden, de hystereseprosessene som oppstår under kompresjons-syklusene og målingene av tapfaktor ved DMA, gir mer informasjon om hvordan materialet reagerer under langsommere deformasjon, noe som kan påvirke den langvarige komforten.

For å oppnå høy motstandsdyktighet mot deformasjon i applikasjoner som bilseter, kan skum med høyere hardhet være nødvendig, spesielt når det gjelder skum med et høyere innhold av graft-polyol. Dette gir et skum som har høyere stivhet og samtidig opprettholder en god grad av elastisitet. Slike materialer er ofte ønsket i situasjoner hvor komforten ved konstant belastning er essensiell, som i bilinteriør, hvor både støtte og langsiktig elastisitet er kritiske faktorer.

Endtext

Hvordan Beregne Isocyanatmengden i Polyuretanskumreaksjoner

I produksjonen av polyuretanskum er en presis beregning av isocyanatmengden avgjørende for å oppnå ønskede materialegenskaper. Dette krever en forståelse av reaksjonene mellom polyoler og isocyanater, samt et nøyaktig forhold mellom disse komponentene. Et vanlig verktøy for å beregne dette forholdet er bruken av ekvivalente masser, som gjør det mulig å finne riktig mengde isocyanat som skal brukes i produksjonen. La oss se på hvordan man kan beregne mengden isocyanat i en typisk polyuretanskumreaksjon.

Når man reagerer 100 g av en trifunksjonal polyeterpolyol med en OH-verdi på 420 mg KOH/g med polymerisk MDI (NCO-verdi: 31 vekt%) ved et indeks på 110, kan man følge disse trinnene:

Trinn 1: Beregning av polyolens ekvivalente masse
Polyolens molekylmasse kan beregnes ut fra dens OH-verdi. For polyolen med en OH-verdi på 420 mg KOH/g, finner vi at den ekvivalente massen er 133,57 g/mol.

Trinn 2: Beregning av ekvivalenter
Deretter beregner vi antall ekvivalenter av polyolen. For 100 g polyol får vi 0,7487 ekvivalenter.

Trinn 3: Beregning av isocyanatens ekvivalente masse
Isocyanatens ekvivalente masse er 135,48 g/mol.

Trinn 4: Beregning av isocyanatmengde ved et indeks på 100
For en indeks på 100 er den nødvendige mengden isocyanat 135,48 g * 0,7487 = 101,43 g.

Trinn 5: Beregning for indeks på 110
For et indeks på 110, justerer vi mengden isocyanat til 1,1 * 101,43 g = 111,6 g.

Denne metoden for beregning gir en nøyaktig fremgangsmåte for å finne den nødvendige isocyanatmengden for å oppnå ønsket reaksjonsforhold i polyuretanskumproduksjon. Det er viktig å merke seg at en korrekt beregning av isocyanat og polyol er kritisk for å sikre ønsket kvalitet og egenskaper i sluttproduktet.

Når det gjelder formulering av polyoler, kan man også beregne den gjennomsnittlige funksjonaliteten i en polyolblanding. For eksempel, hvis en formulering inneholder 90 g trifunksjonal polyeterpolyol med en OH-verdi på 250 mg KOH/g og 10 g etylenglykol, kan man bruke følgende trinn for å finne den gjennomsnittlige funksjonaliteten:

Trinn 1: Beregning av molekylmassen
Molekylmassen for polyeterpolyolen er 673 g/mol, mens molekylmassen for etylenglykol er 62 g/mol.

Trinn 2: Beregning av molære mengder
For begge polyolene beregnes molære mengder (ni).

Trinn 3: Beregning av funksjonalitetsbidrag
Ved å multiplisere den molære mengden med funksjonaliteten for hvert polyol, kan vi beregne (ni * fi) for begge komponentene.

Trinn 4: Beregning av gjennomsnittlig funksjonalitet
Til slutt deler vi summen av (ni * fi) med summen av (ni) for å finne den gjennomsnittlige funksjonaliteten, som i dette tilfellet er 2,46.

En annen viktig beregning i polyuretanindustrien er hardblokkinnholdet i elastomerer. La oss se på et eksempel der 100 g av en difunksjonal polyester med en molekylmasse på 2000 g/mol og 1,4-butanediol (M = 90 g/mol) reagerer med 4,4'-MDI (NCO: 33,5 vekt%) for å danne et elastomer med et indeks på 100. Her er det viktig å finne de nødvendige mengdene 1,4-butanediol og 4,4'-MDI for å oppnå et hardblokkinnhold på 40 vekt%.

Trinn 1: Beregning av OH-verdiene
OH-verdiene for polyester og kjedeforlenger beregnes, og i dette tilfellet er OH-verdien for polyester 56 mg KOH/g, og for kjedeforlenger er den 1247 mg KOH/g.

Trinn 2: Beregning av nødvendige mengder 4,4'-MDI
Mengden 4,4'-MDI som trengs for å reagere med både polyester og kjedeforlenger beregnes til henholdsvis 12,53 g og 2,79 g per gram kjedeforlenger.

Trinn 3: Beregning av total mengde 4,4'-MDI
Totalt trengs 12,53 g + 2,79 g * wCE, hvor wCE er mengden kjedeforlenger som skal tilsettes.

Trinn 4: Beregning av kjedeforlenger
For et hardblokkinnhold på 40 vekt% beregnes mengden kjedeforlenger til 14,3 g.

Trinn 5: Beregning av total mengde isocyanat
Den totale mengden isocyanat blir 52,4 g.

Denne beregningen viser hvordan man kan kontrollere hardblokkinnholdet i elastomerer ved å justere mengdene av polyol, kjedeforlenger og isocyanat i reaksjonen.

Når man arbeider med polyuretanskum og elastomerer, er det også viktig å forstå forholdet mellom forskjellige komponenter og deres innvirkning på materialenes mekaniske egenskaper. For eksempel, endringene i hardblokkinnholdet påvirker elastisitet, stivhet og temperaturmotstand, noe som er avgjørende for applikasjoner som krever spesifikke materialegenskaper. Det er også viktig å forstå hvordan variasjoner i funksjonalitet og molekylmasser av polyoler påvirker sluttproduktet.

Hvordan Polyether Polyoler Produseres og Deres Betydning for Polyuretaner

Polyether polyoler er viktige byggesteiner i produksjonen av polyuretaner, et materiale som har et bredt spekter av anvendelser i industrien, fra isolasjon og skum til elastomerer og lakk. Polyether polyoler er kjent for sin allsidighet og kostnadseffektivitet, og har i stor grad erstattet polyester polyoler i de fleste applikasjoner.

Produksjonen av polyether polyoler starter med en reaksjon mellom en lavmolekylær polyol eller polyamin, kjent som startermolekylet, og alkylenoksider som etylengass (EO) og propylenoksid (PO). Polyolene som dannes er telekefiske, noe som betyr at alkoholgruppene er plassert på endene av kjedene. Funksjonaliteten til polyolen bestemmes av antallet hydroksylgrupper på både starteren og den produserte polyolen.

Funksjonaliteten til en polyol er en viktig faktor, og varierer avhengig av antall alkoholgrupper på starteren. For eksempel, et amine-basert polyol vil ha dobbel funksjonalitet per amingruppe på starteren, da hver amingruppe kan starte to polyeterkjeder. Denne funksjonaliteten påvirker de fysiske egenskapene til den resulterende polyuretanen, og er en av de viktigste parameterne ved utforming av polyuretanmaterialer.

De vanligste starterne for polyether polyoler inkluderer etylenglykol, trimetylolpropan, glyserin, og mer komplekse molekyler som sorbitol og sukrose, som gir polyoler med høyere funksjonalitet. Polyoler med høy funksjonalitet er mer viskøse og brukes ofte i stive skumapplikasjoner, mens polyoler med lavere funksjonalitet kan brukes i fleksible skumprodukter.

En viktig egenskap ved polyether polyoler er at deres viskositet øker med økt funksjonalitet og reduseres når antallet alkylengruppene økes. Dette gjør at de kan justeres for spesifikke applikasjoner. For eksempel, ved å kombinere polyoler med høy og lav funksjonalitet kan man oppnå ønsket viskositet og forbedre egenskapene til det ferdige produktet.

Den industrielle produksjonen av polyether polyoler skjer gjennom en prosess kalt anionisk polymerisering, hvor alkylengass reagerer med alkoholatene dannet fra startermolekylet. I denne prosessen brukes ofte kaliumhydroksid som katalysator for å øke nukleofiliteten til hydroxylgruppene på starteren. Denne reaksjonen fører til åpning av oksiranringen i alkylenoksidene, noe som gjør polyether polyoler til høyt reaktive forbindelser som danner grunnlaget for polyuretanpolymere.

En interessant detalj i polyether polyolproduksjonen er at bruk av propylenoksid i stedet for etylengass gir sekundære hydroksylgrupper, noe som påvirker de mekaniske og kjemiske egenskapene til polyuretanene som dannes. Etylengass danner primære hydroxylgrupper, som er mer reaktive, mens propylenoksid gir en sekundær alkohol som er mindre reaktiv, noe som kan påvirke den videre polymerisasjonen.

I industrielle applikasjoner er polymeriseringen ofte en batchprosess som skjer i store reaktorer, hvor startermolekylene blandes med en løsning av kaliumhydroksid og deretter reagerer med alkylenoksider. Dette skjer under nitrogenatmosfære for å hindre uønskede reaksjoner med luftens oksygen. Prosessen må nøye kontrolleres for å unngå dannelse av biprodukter som mono-ol, som kan hindre dannelsen av et nettverk av polymerkjeder.

For å oppnå ønsket sammensetning og funksjonalitet i polyolene, må forholdene i produksjonsprosessen – som temperatur og type katalysator – være nøye regulert. For eksempel kan propylenglykol, som dannes ved bruk av propylenoksid, få et molekylvekt på opptil 6000 g/mol i industrielle prosesser, selv om den teoretisk har en funksjonalitet på tre. Den faktiske sammensetningen vil ofte inneholde en blanding av trioler, dioler og mono-ol, avhengig av prosessbetingelsene.

Det er også viktig å merke seg at tilstedeværelsen av disse biproduktene, spesielt mono-ol, kan redusere den gjennomsnittlige funksjonaliteten til polyolen og dermed påvirke kvaliteten på den resulterende polyuretanen. Derfor er det viktig å optimalisere prosessparametrene for å minimere forekomsten av disse uønskede produktene, og dermed sikre polyuretanenes ønskede egenskaper.

Polyetere polyoler, med deres varierte molekylstrukturer og tilpasningsmuligheter, gir betydelig fleksibilitet i designen av polyuretaner. Ved å manipulere starterne, reaktive grupper og alkylengassene som brukes, kan materialene skreddersys for et bredt spekter av applikasjoner, fra høyytelses isolasjon til mer fleksible produkter som brukes i møbler og tekstiler.

For at polyuretanmaterialer skal kunne utvikles og produseres effektivt, er det derfor viktig å ha en grundig forståelse av de kjemiske og fysiske egenskapene til polyether polyolene. Dette gir ingeniører og forskere verktøyene de trenger for å forbedre og innovere innen polyuretanindustrien.

Hvordan sikre ansvarlighet i AI-bruk i detaljhandelen: Rettslige og regulatoriske implikasjoner
Hvordan samle og bruke ville sopp i matlaging
Hvordan Lengden på OWC-enheter og Tykktheten på Frontveggen Påvirker Energiutnyttelse og Bølgelaster
Hvordan optimalisere SCG-målingens nøyaktighet og effektivitet ved hjelp av k-medoid klynging og ulike tilnærminger for avstandsmåling