Hvordan fleksible skumtester og formuleringer påvirker produktkvalitet og sikkerhet

Flammabilitystester har utviklet seg for både bil- og møbelindustrien, og disse testene er i hovedsak relatert til tennbarhet. De benytter små åpne flammekilder for å vurdere materialers brannmotstand. For å bestå brannprøvene må det oppnås minimumskrav til brennbarhet. Crib 5 er en standard flammabilitetstest for møbeltrekk, som beskrevet i BS 5852. Testoppsettet simulerer en stol bestående av to fleksible skumputer (en horisontal og en vertikal) dekket med stoff. Tennkilden plasseres i hjørnet der de to skumputene møtes i en rett vinkel. Materialet må gjennomgå tre tester før sertifisering, hvor Crib 5 er den siste. Den første testen er sigaretttesten, der en rykende sigarett påføres materialet. Den andre testen er fyrstikktesten, der et brennende fyrstikkhode påføres. Crib 5-testen bruker en krybbe laget av limte treplanker, som inneholder et stoff som er vått med noen dråper propylenglykol som tennkilde. Strukturen plasseres på møbeltrekket og settes i brann. Testen anses som bestått når verken skummet eller stoffet brenner eller gløder etter 10 minutter.

For materialer i passasjerbiler, lastebiler og busser er minimumskravene til flammabilitet spesifisert i den føderale standarden FMVSS 302. En skumplate plasseres horisontalt og utsettes for en liten Bunsen-brennerflamme på en kant. Flammen påføres i 15 sekunder, og deretter fjernes den fra prøven. Flammens hastighet over prøven måles mellom to punkter, og den maksimale brennhastigheten kan ikke overstige 102 mm/min for at testen skal anses som bestått.

Fleksible skumformuleringer består av reaktive komponenter som polyol, vann og isocyanat. Katalysatorer og tensider er alltid nødvendige, mens tilsetning av kryssbindere er valgfritt. Mengden av ingrediensene i skummet uttrykkes i mengde per 100 vektprosent polyol. Polyether- og polyester-polyoler brukes, men nesten alle fleksible skum er basert på polyether-polyoler. Polyether-polyoler produseres fra etylen- og propylenoksid ved hjelp av glyserin som startstoff og kaliumhydroksid som katalysator. Katalysatorene kan være tin-baserte eller amin-baserte. Tin-baserte katalysatorer er svært reaktive og fremmer urethane-reaksjonen, mens tertiære aminer er mindre sterke katalysatorer og mer selektive i å fremme urethane- eller urea-reaksjonen. De vanligste amin-katalysatorene er TEDA (triethylene diamine) og BDMAEE (bis(2-dimethylaminoethyl)ether).

Skumproduksjon skjer gjennom en polyaddisjonsreaksjon som involverer polyol, vann og isocyanat. For å oppnå ønskede skumegenskaper er det viktig å kontrollere forholdet mellom disse komponentene, samt tilstedeværelsen av katalysatorer og tensider, som bestemmer både reaksjonshastigheten og sluttegenskapene til produktet. Skum kan også utvides ved hjelp av karbondioksid, som er et fysisk blåsemiddel. Denne teknikken er allerede godt etablert i både slabstock og formingsprosesser, og innebærer at karbondioksid injiseres direkte i polyol- eller isocyanatløpet før det når miksehodet.

Når man vurderer fleksible skummaterialer, er det derfor viktig å ha en grundig forståelse av både testene som brukes for å vurdere brannmotstand og utslipp, samt de kjemiske prosessene og ingrediensene som benyttes i produksjonen. For å sikre at sluttproduktet oppfyller både sikkerhetskrav og kvalitetsstandarder, må alle disse faktorene være nøye kontrollert og balansert.

Hvordan produksjon av polyol påvirker reaksjonsdynamikk og egenskaper i polyuretanapplikasjoner

Polyether polyoler er grunnleggende komponenter i produksjonen av polyuretan (PU), og deres sammensetning og produksjonsprosess spiller en kritisk rolle i egenskapene til de endelige produktene. Spesielt er den valgte katalysatoren, sammen med forholdene under reaksjonen, avgjørende for hvordan polyolen reagerer med isocyanater og hvilken type PU som dannes. En av de mest anvendte katalysatorene for polyetherpolyolproduksjon er basert på DMC (Double Metal Cyanide)-komplekser. Denne katalysatorklassen ble oppdaget på 1960-tallet og har siden blitt en sentral komponent i produksjon av polyol med spesifikke egenskaper.

En annen viktig teknologisk utvikling innen polyolproduksjon er introduksjonen av DMC-katalysatorer som muliggjør produksjon av polyol med lavt innhold av mono-ol (en uønsket biprodukt) og smalere molekylvektsfordelinger. Dette er viktig i mange industrielle applikasjoner hvor nøyaktige og konsistente materialegenskaper er avgjørende, som i elastomer- og limapplikasjoner. I denne prosessen er mengden av katalysator ekstremt lav, noe som resulterer i at et meget lite resterende innhold forblir i den endelige polyolen, noe som gjør prosessen økonomisk og effektiv.

Reaksjonsmekanismene i DMC-katalysatorprosessen er basert på at PO-molekylet koordinerer seg med katalysatorens overflate, hvor det skjer en nukleofil angrep av hydroksylgruppen i en polyolkjede. Dette gjør at polyolen kan vokse ved tilførsel av nye PO-enheter, og til slutt skapes polyolkjeder med ønsket molekylvekt. En interessant fenomen som oppstår i denne prosessen er det som kalles «catch-up kinetics», hvor kortkjedede polyoler reagerer raskere enn langkjedede polyoler på grunn av deres høyere hydroksylinnhold. Dette betyr at blanding av polyoler med forskjellige molekylvekter gir en polyol med nesten monomodal molekylvektfordeling, noe som er ønskelig i mange industrielle applikasjoner.

Polyols som inneholder både etylenoksid (EO) og propylenoksid (PO) er vanlige i polyuretanproduksjon. I motsetning til PO, som er mer hydrofobt, gjør tilsetning av EO polyolen mer polar og hydrofil, noe som forbedrer blandbarheten med andre ingredienser, som vann. Polyolene som brukes til stive skumapplikasjoner er for det meste PO-baserte, mens polyolene for fleksible skumprodukter kan være enten blokk-kopolymerer (PO-EO) eller tilfeldige kopolymerer. For eksempel, et triol-polyol med en PO-baserte kjerne og en EO-cap kan gi ønskede elastisitetsegenskaper for fleksible skum.

En viktig forskjell mellom polyols med PO og EO ligger i reaktiviteten deres. PO-baserte polyoler har sekundære hydroksylgrupper, som er omtrent fire ganger mindre reaktive mot isocyanater enn primære hydroksylgrupper. Ved å bruke EO for å «toppes» eller «kappe» polyolen, kan man øke andelen primære hydroksylgrupper og dermed øke polyolens reaktivitet. Denne prosessen er ikke lineær; reaksjonen mellom sekundære og primære OH-grupper følger ikke en enkel forholdsmessig økning, og polyolens primære OH-innhold øker asymptotisk med mengden EO som tilsettes.

Reaksjonsbetingelsene under produksjonen av polyether polyoler, som trykk, temperatur og valg av katalysator, bestemmer ikke bare hvilken type polyol som produseres, men også hvordan denne polyolen vil reagere med isocyanater i de etterfølgende trinnene av polyuretanproduksjonen. Derfor er det viktig å kontrollere og optimalisere disse forholdene for å sikre at polyolen oppfyller de ønskede kravene til sluttegenskaper som styrke, fleksibilitet og termisk stabilitet.