Qúa trình hình thành mút xốp Polyurethane

Hình thành mút polyurethane
Qúa trình hình thành mút
Có một loạt các tiến trình xảy ra trong quá trình tạo mút polyurethane được tổng hợp sau đây:
1. Pha chế thành phần và khuấy trộn mút. Các thành phần hóa học được pha chế (thường bằng thiết bị định chuẩn) theo lượng và tỷ lệ thích hợp và được khuấy trộn với nhau (trong đầu trộn của máy (mixing head) hoặc trong bình chứa đối với trường hợp trộn tay (hand-mixing)). Trong quá trình khuấy trộn, một lượng nhỏ bóng khí hình thành trong khối chất lỏng. Trong trường hợp máy đổ mút, một lượng nhỏ khí được bơm vào trong buồng trộn.
2. Thời gian tạo kem (Creamtime). Sau một khoảng thời gian ngắn, các khí trợ nở (CO2 hay các chất trợ nở khác) bắt đầu khuếch tán vào trong và làm tăng lượng bóng khí nhỏ trong khối chất, hiện tượng giống như khối kem. Thời gian bắt đầu trộn đến khi khối chất chuyển thành kem gọi là thời gian tạo kem, thường khoảng 6 – 15 giây đối với mút mềm (mút cứng thường thời gian tạo kem lâu hơn).
3. Nở (Rising). Khi các khí thổi được tạo ra nhiều hơn, hỗn hợp mút tiếp tục nở và trở nên nhớt hơn khi quá trình polymer hóa còn xảy ra trong pha lỏng. Tổng số bóng khí giữ nguyên không đổi trong quá trình nở mút. Giảm sức căng bề mặt bằng silicone hoạt động bề mặt làm cho khối mút ổn định hơn và ngăn được các bóng khí kết khối lại với nhau.
4. Nở hoàn toàn (Full rise). Khoảng 100 – 200 giây sau khi trộn, phản ứng thổi dừng lại còn phản ứng gel hóa tiếp tục. Kiến trúc của tế bào chứa đầy khí dần dần vững chắc hơn, thành mỏng của chúng có thể không giữ áp suất khí lâu hơn. Khi nở hoàn toàn, những thành mỏng này vỡ ra và các khí được giải phóng (xì hơi) cuối cùng mút được gel hóa phù hợp và đủ mạnh để giữ khối mút ổn định. Thời gian từ khi bắt đầu đến nở hoàn toàn (đến lúc xì hơi) được gọi là thời gian nở rise time.
5. Gel hóa (Gelling). Phản ứng gel hóa (hay polymer hóa) tiếp tục cho đến khi đạt được thời gian gọi là thời gian gel hóa Gel time (thường 20 – 120 giây sau thời gian nở) khi khối mút đã được gel hóa. Để kiểm tra khối mút đã được gel hóa hay chưa, dùng que gỗ nhúng đi nhúng lại sâu khoàng 2 – 4 cm vào khối mút cho đến khi cảm thấy sự đàn hồi. Khi lớp da bên ngoài khối mút không dính khi chạm đầu ngón tay vào tức là đã đạt đến thời gian không dính tack free time.
Mặc dù thời gian gel hóa thường xảy ra sau thời gian nở khi sản xuất mút mềm, nhưng nó có thể là ngược lại đối với mút cứng.
6. Lưu hóa (Curing). Khối mút sau đó được chuyển vào khu vực lưu hóa khoảng ít nhất 24 giờ để cho phản ứng gel hóa (hay polymer hóa) xảy ra hoàn toàn.

Qúa trình tạo Polyurethane
Mút và dạng pu đàn hồi (elastomer) được làm từ những thành phần lỏng. Do đó phần quan trọng trong quá trình tạo polyurethane đó là thiết bị khuấy trộn. Thiết bị này gồm có các thùng chứa, bộ chỉnh lưu lượng và đầu trộn.
Qúa trình của mút đổ khuôn hay elastomer bao gồm bơm các thành phần ở tỷ lệ cho trước (metering) lên đầu trộn, ở đây chúng sẽ được trộn đều với nhau và đổ vào khuôn hoặc băng tải (sản xuất mút khối mềm). Chất lỏng polyol có độ nhớt cao hơn, có thể lên đến 20 000mPas (cP). Trái tim của hệ thống là đầu trộn. Cơ bản hiện nay có hai loại đầu trộn: đầu trộn áp suất cao và đầu trộn áp suất thấp. Đầu trộn áp thấp khuấy các thành phần hóa chất bằng cơ học (dùng cánh khuấy). Ưu điểm của thiết bị này là giá thành thấp hơn. Thiết bị thường được dùng cho những sản phẩm nhỏ, ngoài ra thiết bị còn cho phép khoảng độ nhớt của hóa chất khá rộng. Kết thúc quá trình phun, cần phải sử dụng dung môi để rửa đầu trộn. Nếu độ nhớt của polyol sử dụng không lớn hơn 2000mPas khi đó có thể sử dụng thiết bị áp suất cao với công nghệ “khuấy trộn va chạm” (impingement mixing). Tất nhiên độ nhớt có thể điều chỉnh được bằng nhiệt độ. Với thiết bị áp suất cao này, hai hay nhiều thành phần được bơm vào buồng trộn ở tốc độ cao, ở đó chúng va chạm hỗn loạn vào nhau. Ưu điểm của thiết bị này là chúng cho phép định chuẩn (tỷ lệ phối trộn) chính xác, quá trình thực hiện rất nhanh, giảm thiểu hao phí và không cần dùng dung môi rửa sau khi phun. Hiên nay thiết bị áp suất cao đang thống lĩnh thị trường.

Tùy theo ứng dụng mà các loại phụ gia thêm vào phù hợp.
Về nguyên lý làm đế dày, sản xuất mút mềm hay mút cứng cơ bản giống nhau. Sự khác nhau là ở phụ gia, tỷ lệ Isocyanate/polyol, loại iso, pol...

Cơ chế hình thành mút PU


Các polyol và isocyanate ban đầu có khối lượng, độ nhớt thấp, dịch chuyển qua lại trên các thành bóng yếu hình thành trong quá trình tạo foam. Những thành bóng như vậy dễ bị vỡ và khí thoát ra. Vì thế cần tăng tính đàn hồi và độ mạnh của thành bóng, nhờ sự tăng khối lượng phân tử polymer. Cơ chế hình thành bóng khí là khoa học “phần giây”, và nó là bản chất để hiểu quá trình. Qúa trình này giống như tạo khí trong khi đun sôi chất lỏng. Khí hình thành trong quá trình phản ứng, hoặc quá trình bay hơi nhờ thêm tác nhân tạo mút, tan một phần trong khối polymer. Khi đạt đến giới hạn độ tan, tức là khi khí tạo ra vượt quá khả năng tan (bão hòa), khí thừa sẽ hình thành bóng khí. Trạng thái ban đầu khi hình thành bóng khí gọi là hình thành nhân. Số bóng khí sẽ tùy thuộc vào số nhân có mặt trong hệ. Sự hình thành nhân có thể là đồng nhất hoặc không đồng nhất (trong trường hợp có các nhân khác). Nhân bóng thường là một lượng nhỏ khí trong các kẽ nứt hoặc chỗ gồ ghề trên bề mặt chất rắn hoặc hạt chất lỏng, trong trường hợp nhân không đồng nhất. Bắt đầu quá trình hình thành mút đặc trưng bằng sự hình thành một lượng lớn nhân. Chúng gây nên hiện tượng phản xạ ánh sáng tạo cho khối chất có màu trắng (tạo kem-cream formation) mà chưa tăng thể tích đáng kể. Trạng thái tiếp theo là bóng khí tăng lên nhờ thu được khí thoát ra, làm tăng thể tích của hỗn hợp mút. Trạng thái này gọi là nở mút (foam rise). Độ bền của quá trình bong bóng lớn lên phụ thuộc vào sức căng bề mặt. Nếu sức căng bề mặt quá lớn làm cho không hình thành các nhân, chỉ một lượng nhỏ các bong bóng lớn lên, và hình dạng sẽ thon ra theo chiều lớn của bóng. Người ta không mong muốn những mút như vậy vì chúng có tính chất cơ lý bất đẳng hướng. Điều chỉnh bong bóng lớn lên bằng cách thêm chất hoạt động bề mặt (thường dùng copolymer silicone). Chúng làm giảm sức căng bề mặt và có thể chia các bóng khí ra nhỏ hơn, đều hơn. Qúa trình này được trợ giúp bằng việc trộn mạnh. Mút nở (phụ thuộc vào sự phân tán khí vào các bóng) hoàn thành khi quá trình polymer hóa quá điểm gel, mạng lưới polymer mở rộng từ đầu này tới đầu kia. Nồng độ khí trong khối biến đổi theo thời gian. Hình 1 mô tả 3 vùng đặc trưng của ba trạng thái hình thành mút; vùng I tạo nhân (phản ứng làm trắng khối nhưng không tăng thể tích, đặc trưng cho thời gian tạo kem-Cream time); vùng 2 và 3 tương ứng với sự nở mút.

Hình trên có thể giải thích như sau: khí tạo ra trong quá trình tạo mút hòa tan vào trong polymer cho đến khi đạt giới hạn bão hòa S. Tốc độ hình thành nhân Vn = 0. Sự hình thành nhân không xảy ra ở trạng thái quá bão hòa thấp (Vn à 0) nhưng sẽ bắt đầu ở trạng thái quá bão hòa cao hơn và sẽ tăng tốc cho đến khi đạt tốc độ cực đại (Vn à µ). Khi quá trình tạo nhân hoàn thành, nồng độ khí trong polymer sẽ giảm do sự khuếch tán khí vào các bóng tăng lên. Nồng độ khí trong polymer sẽ giảm theo thời gian cho tới khi đạt giới hạn bão hòa S.


Các thông số kỹ thuật đặc trưng cho quá trình tạo mút là thời gian tạo kem (Cream time), thời gian nở (rise time) và thời gian gel (gel time). Thời gian tạo kem biến đổi trong khoảng 0,001 đến 30 giây, thời gian nở trong khoảng 20 đến 120 giây. Thời gian tạo gel được đo bằng cách nhúng đũa thủy tinh vào trong khối mút. Trước khi polymer gel hóa, nó nhầy và dễ dàng kéo thành sợi dài
Comments