اساسا فوم های پلی یورتان به دو روش تجاری تولید می شود : اسپری و ریختن. روش اسپری به فوم های سخت محدود می شود، در حالی که روش ریختن برای انواع فوم های مختلف استفاده می شود.
- روش ریختن در بدنه یا فوم شدن در بدنه
روش ریختن در بدنه، قدیمی ترین، متنوع ترین و محبوبترین تکنیک برای کاربرد فوم یورتان سخت (ریجید) است. در قالب گیری به این روش، مخلوط مواد مورد استفاده در فوم ، به صورت مستقیم وارد یک حفره میشوند که واکنش تشکیل فوم در آنجا صورت می گیرد. حفره، با تکمیل واکنش تشکیل فوم پر می شود. این تکنیک، در تمام محدوده چگالی ها از 0.7 تا lb/ft3 70 قابل استفاده است. معمولاً قالب به عنوان بخش خارجی کالای آماده شده حفظ میشود. فرایندهای یک مرحله ای(one-shot) و شبه پیش پلیمر(quasi-prepolymer) یا نیمه پیش پلیمر(semi quasi-prepolymer) به صورت موفقیت آمیز مورد استفاده قرار گرفته اند.
مواد تشکیل دهنده، به صورت دستی یا به کمک میکسر برقی در یک مخزن تمیز (که میتواند یک بشر شیشه ای کوچک تا یک سبد یا سطل بزرگ باشد) مخلوط میشوند. قطعه ها می توانند تا 50 پوند یا بیشتر باشند. در حالت ایده آل، یک میکسر برقی در کل در مدت 10 تا 15 ثانیه کار مخلوط سازی را به صورت کامل انجام میدهد. برخی از فرمولاسیون های کندتر با ویسکوزیته بالاتر ممکن است تا 30 ثانیه زمان نیاز داشته باشند. اغلب، یک موتور دریل برقی با پره های مختلفی که متصل به محور هستند، مورد استفاده قرار میگیرد. سیستم منقطع که در تغذیه در محل کار مورد استفاده قرار می گیرد، منجر به تولید محصولات انتهایی غیریکنواخت میشود اما تجهیزات موردنیاز پرهزینه نیستند.
مخلوط واکنشی بعد از این که مستقیم به حفره یا قالب وارد شد، به انتهای قالب می رود و آنگاه تا 30 الی 40 برابر حجم اصلی اش فوم میشود و همه ترک ها و کناره ها را پر میکند و یک مغزی بدون درز قوی را تشکیل می دهد. حذف درزها، اتصالات و روکش (که منجر به شکست در دماهای پایین میشوند) یک مزیت دیگر است. تغذیه در محل کار، با قالب گیری تفاوت اساسی دارد زیرا در اینجا چسبندگی به قالب مطلوب است در حالیکه در قالب گیری، باید آزادسازی کامل صورت گیرد. همچنین، در طول فرایند انبساط، پوسته ای در نزدیکی حفره پر شده ایجاد می شود که دیگر نیازی به سدهای بخار وجود ندارد.
روش ریختن در بدنه ، برای پرسازی نواحی تعریف شده مانند پانل های ساندویچی دیوار پرده، حفره های دیوار، و حفره های نامنظم ایدهآل است. حفره باید توانایی پشتیبانی فشارهای فوم تا 3 – 5 psi را داشته باشد. افزایش معمول تا حجم 30 تا 40 برابر گاهی با فرایند تشکیل فوم متوقف میشود اما به طور کامل حذف نمیشود. اگر چگالی کلی کم مطلوب باشد، دمای واکنش های تولید فوم بسیار حیاتی است.
کاربردهای متعددی که فوم یورتان در آنها به صورت موفق مورد استفاده قرار گرفته است را میتوان بر اساس چگالی به سه نوع دسته بندی کرد که در زیر فهرست شده اند:
- کم، تا 1.5
- متوسط از 1.5 تا 3.0
- زیاد، بالاتر از lb/ft3 3.0
فوم سخت (ریجید) یک مرحله ای را میتوان به روش ریختن در بدنه تولید کرد. قالب ها را میتوان در طول فرایند تشکیل فوم عمود یا موازی با دیوار قرار داد که در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل 1: انواع تکنینک های روش تزریق در بدنه
مقاومت فشاری بیشینه در پانل به موازات دیواره های پانل در تزریق عمودی رخ میدهد. افزایش عمودی زیاد به آسانی قابل مدیریت است زیرا میتوان از طریق یک روزنه در بالای قالب آن را تزریق کرد. پانل هایی که ارتفاع تا 8 فوت دارند به صورت موفقیتآمیز تنها با یک بار تغذیه، تشکیل فوم میدهند. خصوصیات فوم پانلهایی که به صورت عمودی پر میشوند، از بالا تا پایین یکنواخت است. افزایش عمودی کم را میتوان زمانی به کار گرفت که پانلها به صورت معمول قابل مدیریت نباشد. در این مورد، فوم را میتوان از طریق یک حفره در یک انتها تغذیه کرد البته اگر قالب کج شده باشد تا توزیع کافی صورت گیرد. وگرنه، باید در طول قالب انتقال داده شود.
در برخی موارد، دستیابی به بیشینه مقاومت عمود بر دیواره پانل مطلوب است. در این موارد، پانل ها به صورت افقی تشکیل فوم می دهند. در پانل هایی که به صورت افقی تغذیه می شوند، یکی از پوسته های پانل در انتهای قالب قرار میگیرد. پوسته های قالب برای حفظ فوم به کار می روند به گونه ای که فوم افزایش می یابد و به پوسته دیگری می رسد که در بخش بالایی قالب قرار گرفته است. در پانل های عمودی، آهنرباهای الکتریکی و خلأ برای نگهداری بستر بالایی در بخش بالایی قالب مورد استفاده قرار می گیرند. مخلوط مواد مورد استفاده در فوم را می توان به کمک یک سر میکسر با طرح از پیش تعیین شده در عرض قالب به جریان درآورد.
جنس مواد پوسته ای که برای پانل های ساختمانی عایق بندی شده مورداستفاده قرار میگیرند، شامل فولاد، آلومینیوم، ورقههای ملامینی، تخته چندلایه و کاغذ هستند. دماهای 110 تا 130 درجه فارنهایت، با قالب های فلزی در قالب گیری پانل یورتان سخت (ریجید) یک مرحله ای مطلوب هستند که ضرایب K بهینه و چگالی های پانل کوچک دارند. دماهای قالب کمتر منجر به چگالی پانل بالا می شوند که این امر به علت اتلاف دما در قالب است. به علاوه، پوسته ضخیمی در سطح فوم تشکیل میشود که منجر به افزایش ضریب K می شود. معمولاً در قالبهای 110 تا 130 درجه فارنهایت، پانل ها در مدت تقریبی 10 دقیقه از جیگ (jig) رها میشوند. پخت ثانویه در دمای 150 تا 175 درجه فارنهایت میتواند این زمان را به 5 دقیقه کاهش دهد.
- روش اسپری
تکنیک های اسپری برای پرسازی قالب ها و پانل ها و برای اعمال فوم در سطوح مسطح به کار میروند. اسپری، معمولاً در کاربردهایی مفید است که مساحت زیادی دارند مانند دیواره های ساختمان ها یا مخازن. پوشش های اسپری فوم سخت (ریجید) ، هم مقاومت فیزیکی و هم عایق بندی بهبودیافته دارند. اسپری، ساده ترین و ارزان ترین روش برای تولید فوم است. به علاوه، تجهیزات اسپری قیمت معقولی دارند و قابل حمل هستند و فوم را میتوان بدون قالب یا جیگ (jig) از هر نوع به کار برد.
در کاربردهای اسپری، مخلوط سازی اجزا با اتمی سازی مواد در هنگام ترک نازل تفنگ اسپری انجام می شود. ویسکوزیته رزینها باید در محدوده 500 -1500 cps حفظ شود تا از مخلوط سازی کامل اجزا اطمینان حاصل شود. در صورت لزوم، گرما را می توان به پلیمر اعمال کرد تا ویسکوزیته تا سطح دلخواه کاهش یابد.
تفنگ های اسپری تجاری اگر در فاصله 3 فوت از سطح هدف قرار گیرند، یک دایره فوم 12 اینچی ایجاد میکنند. پیکربندیهای اسپری مختلف و انتقالات بیشتر را میتوان با تفنگهای خاص انجام داد.
تکنیک اسپری را میتوان از طریق محدودسازی طرح اسپری در هنگام ترک تفنگ، برای پرسازی قالب ها به کار گرفت. این کار با اتصال یک مخروط به سر تفنگ انجام میشود. این مخروط می تواند به طول 8 اینچ تا 2 فوت باشد و با قطر کوچکتر در انتهای خروجی متصل شود. این دستگاه، اتلاف کاتالیست در هوا را کمینه میکند و تخلیه فوم را به سطح کوچکتری محدود میکند. در این روش، مقادیر زیاد فوم را میتوان انتقال داد. این تکنیک در قالب های بزرگ یا قالب هایی که روند پرسازی آنها پیچیده است، قابل کاربرد است. نسبتاً ارزان و کاملاً منعطف است. چسبندگی فوم افشانده شده به اغلب سطوح عالی است.
روش اسپری معمولاً با تجهیزات اندازهگیری قابل حمل انجام میشود که باید آنقدر سبک باشند که بتوانند روی یک کامیون یا تریلر کوچک حمل شوند. اغلب این واحدها، پمپهای محرکه هوا با فعالیت دوگانه دارند که میتوان آنها را به آسانی کالیبره کرده و با مخازن انتقال 5 تا 55 گالونی مورد استفاده قرار داد.
دو نوع اصلی تفنگ وجود دارد که در عملیات های اسپری مورد استفاده قرار میگیرند: تفنگ های مخلوط داخلی و مخلوط خارجی. تفنگ های مخلوط داخلی، از چند روش مخلوط سازی مختلف بهره می گیرند. تفنگ های مخلوط سازی خارجی، هوای پرفشار را برای خروج مولفه ها از تفنگ مورد استفاده قرار می دهند. سپس از طریق یک عمل چرخشی، هوا، اجزای بین تفنگ و سطحی که تحت اسپری قرار می گیرد را مخلوط ساخته و اتمی میکند.
مزایای تفنگ مخلوط داخلی عبارتند از:
- مخلوط سازی بهتر کلی، به ویژه در موادی با ویسکوزیته بالا.
- بیش افشاندن کمتر
- اتمی سازی بهتر هوا که به اپراتور امکان کار با فاصله نزدیک تر را میدهد.
- معمولاً خصوصیات فوم بهتر به علت مخلوط سازی بهتر
یکی از معایب بزرگ اغلب تفنگهای مخلوط داخلی، تمایل آنها به مسدودسازی است. این امر نیاز به مراقبت خاصی دارد حتی در تفنگهایی که پاک کننده حلال دارند تا در شرایط کاری باقی بمانند.
در تفنگهای مخلوطسازی خارجی، احتمال مسدودسازی حداقل است و به آسانی تمیز میشوند. معایب آنها عبارتند از:
- معمولاً مخلوط سازی ضعیف تر، عیبی که در مواد با ویسکوزیته کم به حداقل میرسد.
- حجم زیاد هوای اتمی ساز که امکان نزدیک شدن به سطح اسپری شونده را مشکل میکند.
برای جلوگیری از شکم دادگی فوم های یورتان اسپری شده، فرمولاسیون هایی با سرعت واکنش بالا مورد نیاز هستند. با افزودن کاتالیست می توان به سرعت های بیشتر رسید. لایه های اضافی را میتوان بلافاصله تزریق کرد. سرعت اسپری نرمال در حدود 4-8lb/min است. اختراعی که بیشترین تاثیر را در بهبهود فرایند افشاندن داشته است، سیستم کاتالیستی یک مرحلهای با ویسکوزیته کم و نسبت 1:1 است. این سیستم، منجر به تولید تفنگ بدون هوا شده است. پیشتر، اتمیسازی از طریق وارد کردن هوای فشار بالا به محفظه مخلوطسازی مرسوم صورت میگرفته است. این سرهای اسپری به سرهای متکی به هوا معروف هستند.
زمان افزایش حجم اسپری فوم یورتان بدون هوا، حدود 30 ثانیه است. می توان برای ضخامت بیشتر بعد از این دوره، مجدداً فومسازی را انجام داد. این کار بعد از 3 تا 4 دقیقه انجام میشود و خصوصیات کامل آن در 24 ساعت حاصل میشود. تفنگ اسپری هوا، در حدود 30 اینچی سطح نگه داشته میشود و به آرامی روی آن حرکت میکند.
معمولاً سرعت پخش 4-6lb/min برای اغلب کاربردهای اسپری، بهینه در نظر گرفته میشود. سطحی که فوم روی آن اسپری میشود، باید بدون چربی با قطعات جداشونده باشند. چسبندگی فوم یورتان به فولاد، برابر با مقاومت کششی فوم است مشروط بر اینکه سطح تمیز باشد. از سوی دیگر، سطوح آلومینیومی پیوند خوبی ایجاد نمی کنند مگر اینکه یک پوشش اولیه مانند وینیل واش قبل از تشکیل فوم مورد استفاده قرار گیرد.
شکل زیر، یک منحنی تنش - کرنش را برای اسپری فوم یورتان را نشان میدهد که در جهت افزایش حجم فوم یا خلاف جهت آن اندازه گیری شده است. تنوع، درجه ناهمسانگردی را می توان به شکل سلول فوم ارتباط داد. از آنجا که اسپری فوم باید برای افزایش حجم سریع از کاتالیزور بهره گیرد تا مانع آویزان شدن سطوح بالایی یا عمودی شود، زمان تشکیل ژل یا نقطه ای که ویسکوزیته شکل می گیرد و دیگر تحرکی وجود ندارد، باید آنقدر کوتاه باشد که ماتریس سلولی به جای اینکه به شکل کره درآید، به شکل یک بیضیوار ترموست باشد. در نتیجه، زمانی که بار به شکل موازی بر محور طولی اعمال شود، میتوان افزایش مقاومت طولی را مشاهده کرد در حالی که زمانی که بار عمود بر محور طول اعمال شود، می توان کاهش مقاومت را دید. در اغلب موارد، درجه بالای ناهمسانگردی در اسپری فوم یک مزیت مهم است زیرا مقاومت فشاری در جهت عمود بر سطح فوم و موازی با اعمال بار افزایش می یابد.
شکل 2: منحنی تنش-کرنش اسپری فوم سخت (ریجید) پلی یورتان
بر خلاف تکنیک های موفقی که برای اسپری فوم های سخت (ریجید) و نیمه سخت (ریجید) مورد استفاده قرار گرفته اند، روش های اسپری فوم های یورتان منعطف بسیار نوپا هستند و در حال حاضر، کمتر به صورت تجاری مورد استفاده قرار گرفتهاند. تا به امروز، تنها سیستم های پلی استر کاربرد تجاری پیدا کرده اند. کاربرد آنها مربوط به لایه زیرین فرش و آستر پارچه است. در مرحله دوم انبساط، به جای فلوئوروکربن 11 در اسپری فوم یورتان منعطف ، آب مورد استفاده قرار میگیرد.
مقاله تهیه شده در واحد تحقیق و توسعه شرکت ایمن پلیمر شیمی
استفاده از مقالات تنها با ذکر منبع مجاز است