Hvordan valg av råmaterialer påvirker produksjon av stive polyuretan- og polyisocyanurat-skum

I produksjonen av stive skumtyper er valget av råmaterialer avgjørende for både de mekaniske og termiske egenskapene til sluttproduktet. De grunnleggende komponentene i formelen for stive skumtyper omfatter polyoler, isocyanater, blåsemidler, overflateaktive stoffer og brannhemmere. Samspillet mellom disse komponentene bestemmer de fysiske egenskapene til skummet, som densitet, termisk isolasjonsevne, brannmotstand, samt hvordan skummet reagerer under produksjonsprosessen. For å forstå hvordan disse komponentene påvirker skummet, er det viktig å vurdere både kjemiske og fysiske reaksjoner som skjer under produksjonen.

Polyisocyanat (PMDI) er det vanligste isocyanatet for produksjon av stive PU-skum, med en funksjonalitet på mellom 2,7 og 2,9. For de fleste applikasjoner benyttes standard PMDI med funksjonalitet på 2,7, og produksjonen skjer med en NCO-indeks mellom 110 og 130. Den overskytende isocyanaten reagerer med urethane for å danne allofanater eller kan trimerisere for å danne ekstra tverrbindinger, som forbedrer de mekaniske egenskapene og termiske stabiliteten til skummet.

Blåsemidler spiller en avgjørende rolle i produksjonen av skum, ettersom de skaper de mikroskopiske cellene som karakteriserer skummets struktur. De mest brukte blåsemidlene er vann, pentan og forskjellige kombinasjoner av disse. Vann reagerer med isocyanat og danner karbondioksid, som er den primære kjemiske blåsemidlet i PU-skum. Men når vann benyttes alene som blåsemiddel, kan dette føre til problemer med skumkvaliteten, som dårlig dimensjonal stabilitet og lav termisk isolasjonsevne. En løsning på dette er å kombinere vann med fysiske blåsemidler som pentan, som forbedrer isolasjonsegenskapene og reduserer de eksoterme reaksjonene forårsaket av vannet.

Pentan er et fysisk blåsemiddel som er populært i stive skumformuleringer på grunn av lav kostnad, lav termisk gasskonduktivitet og lavt potensial for ozonødelegging og drivhuseffekt. Pentan, spesielt n-, iso- og cyclopentan, er det vanligste blåsemiddelet i stive PU-skum, og det gir en bedre termisk isolasjon enn karbondioksid og luft. Når pentan benyttes som blåsemiddel, kan det være nødvendig med store mengder (opptil 20 p.b.w.) for å oppnå samme tetthet som med vann, men det gir bedre isolasjonsegenskaper.

Når PIR-skum produseres, er det en økt risiko for at skummet blir sprøtt, og det er ofte problemer med skumadhesjon til underlag. I tillegg kan en reaksjon som kalles "andre heving" oppstå under ekspansjonen av skummet, noe som kan føre til uønskede variasjoner i skumstrukturen. For å unngå dette kan man bruke aromatiske polyesterpolyoler med lavere funksjonalitet, som gir bedre elastisitet i skummet og forbedrer brannmotstanden på grunn av deres aromatiske innhold.

Selv om det er flere utfordringer ved bruk av pentan og andre blåsemidler i stive skum, er deres rolle i produksjonen uunnværlig for å oppnå skum med de ønskede termiske og mekaniske egenskapene. Det er viktig å merke seg at prosessen for produksjon av stive skum er kompleks og at balansen mellom de ulike reaksjonene – blåsing, gelering og trimerisering – må håndteres nøye for å sikre ønsket kvalitet på produktet.

Hvordan tetthet påvirker mekaniske egenskaper og brannmotstand i stive PU-skum

Komprimeringsstyrken har et forhold til tetthet på ρ^1.5. Dette tyder på at skumcellens struktur spiller en liten rolle i komprimeringsmotstanden, og at det er mer relatert til den plastiske kollapsen av de åpne cellene. I tilfelle stivt PU-skum som er utsatt for kompresjon, oppfører materialet seg som et typisk åpent-celleskum, der cellene sammenklemmes og kollapser plastisk. Dette kan sammenlignes med teorien om kollapsstress for åpne celler som viser plastisk kollaps under kompresjon.

Tensile styrke, derimot, har et forhold på ρ^1.35, og dette tyder på at membranene i skumcellene har liten innvirkning på trekkstyrken. Stive PU-skum viser en sprø svikt under strekk, og derfor er det lite elastisitet etter at materialet har nådd bristepunktet. For stive PU-skum er dette forholdet i tråd med teorien for åpne celler som utviser sprø brudd. Dette indikerer at skumcellens størrelse ikke er en viktig faktor i forhold til strekkstyrken.

Bøyningsstyrken, på den annen side, relaterer til tetthet på ρ^1.75. Dette betyr at stivt PU-skum blir betydelig sterkere under bøyning som tettheten øker, og at forholdet mellom styrke og tetthet er enda mer uttalt enn for kompresjon eller strekk. Dette viser at cellestrukturen, som er ansvarlig for bøyningsstyrken, er betydelig mer sammensatt og påvirkes mer av økt tetthet enn ved de andre typene påkjenninger.

SBI-testen, derimot, benyttes for å vurdere hvordan byggeprodukter reagerer på en brann i et hjørne med en propanbrenner plassert i bunnen. Denne testen gir mer detaljerte data om hvordan materialet utvikler varme, røyk og flammer over en lengre periode, og gir en vurdering av brannveksthastighet (FIGRA), røykgassutvikling (SMOGRA) og total varmeutvikling (THR600). For stive PU-skummaterialer som brukes i byggeprosjekter, gir disse resultatene en bedre forståelse av hvordan materialene oppfører seg i en reell brannsituasjon.

I industrielle applikasjoner er stivt PU-skum en nøkkelkomponent i termisk isolasjon, og det brukes i en rekke applikasjoner, fra byggematerialer som sandwichpaneler og isolasjonsplater, til husholdningsapparater som kjøleskap og frysere. Transportsektoren benytter også stivt PU-skum til isolasjon av kjøretøy som fraktes kjølevarer. Hver applikasjon har spesifikke krav til både prosessering og de fysiske egenskapene til skummet, og derfor må formuleringene justeres deretter.

For produksjonen av stivt PU-skum er det to hovedmetoder: discontinuous (diskontinuerlig) og continuous (kontinuerlig) prosessering. I diskontinuerlig prosessering helles reaksjonsblandingen i en stor eske der det dannes et skum. For å unngå uønsket domedannelse på toppen av skummet, benyttes en flytende lokk. I kontinuerlig prosessering, hvor reaksjonsblandingen kontinuerlig påføres på et bevegelig bånd, kan skummet formes til faste blokker, og domedannelse kan forhindres ved hjelp av flytende lokk eller andre spesialiserte metoder.

I produksjonsprosessen kan det oppstå en densitetsfordeling fra toppen til bunnen av blokkene, ettersom skummet størkner under forskjellige temperaturer. Den høyeste temperaturen finnes ofte i midten av blokkene, noe som fører til at skummet har lavere tetthet i dette området sammenlignet med periferien.

Hva er de viktigste faktorene i produksjonen av fleksible skumplastmaterialer?

Fleksible skumplastmaterialer, som benyttes i en rekke applikasjoner fra møbler til bilinteriør, er produkter med spesifikke krav til både fysikalsk og mekanisk ytelse. Prosessen for produksjon av slike skum har stor betydning for de fysiske egenskapene som skummet får, og det er avgjørende å forstå samspillet mellom ingredienser og prosessbetingelser for å oppnå ønsket kvalitet.

Skummets myke områder gir på sin side lavtemperaturfleksibilitet, elastisitet og evne til å gjenopprette formen. Den myke matrisen har et elastisk polymerkondensat med en modulus på mindre enn 50 MPa. Den lave modulusen til polymeren, den lave skumdensiteten og den høye andelen åpne celler er essensielle for skummets komfortegenskaper. Den største utfordringen i produksjonen av fleksibelt skum er åpningen av cellene mot slutten av ekspansjonsprosessen. Åpningen av cellene utløses av gelering, som kan styres gjennom sammensetningen av skumoppskriften. Siden oppskriften også bestemmer skummets fysiske egenskaper, er det tydelig at produksjonen av åpen-celle skum med målrettet tetthet og nødvendige mekaniske egenskaper kan være en utfordring.

De viktigste faktorene som påvirker skumprosessen er produksjon av feilfritt, åpen-celle skum med målrettet skumhardhet og densitet, flyte- og stabilitetsegenskaper under ekspansjon, samt herding- og demoldings-tid. Under produksjonen må skummet være stabilt nok til å unngå ruptur i slabstock-prosessen eller for å fylle formen helt i moldingsprosessen. Skum for spesifikke bruksområder, som for eksempel bilseter, kan ha tilleggskrav som flammehemming og motstand mot lukt eller utslipp.

Skumets mekaniske egenskaper er fundamentale for dets funksjonalitet. Den viktigste faktoren for komfort er skummets elastisitet, målt gjennom ballrebound-testen. Dette er en test der en stålball slippes fra en viss høyde på et skumprøve, og høyden på returen måles for å beregne skummets elastisitet. Jo høyere elastisitet, desto bedre er skumplasten til å fordele trykket jevnt, hvilket er essensielt for komforten, spesielt i møbel- og bilsenger.

Når det gjelder holdbarhet, er komprimeringssett og dynamiske egenskaper også viktige. Komprimeringssettet måler hvor mye et skummateriale beholder sin form etter å ha vært komprimert under belastning i en lengre periode. For å teste skummets holdbarhet under dynamisk bruk, brukes fatiguetester som simulerer de påkjenningene materialet vil utsettes for i hverdagen. I bilindustrien er det spesielt viktig at skummet demper vibrasjoner og gir komfort ved at det "avkobler" kroppens bevegelser fra bilens svingninger.

For at et fleksibelt skum skal fungere effektivt i sine spesifikke applikasjoner, som i biler eller møbler, er det avgjørende å sikre at skummet møter både de mekaniske kravene og komfortkravene som er nødvendige for at produktet skal oppnå ønsket ytelse. Skummets luftpermeabilitet, evnen til å puste, er spesielt viktig for komfort i både innendørs- og bilapplikasjoner, da det hjelper til med å regulere temperatur og fuktighet. Endelig er det viktig å merke seg at riktig balanse i skumoppskriften er nøkkelen til å oppnå ønsket tetthet, holdbarhet og komfort.