Opencellig schuim

Celstructuur


Een schuim bestaat uit een groot aantal onderling verbonden cellen die een cellulair netwerk vormen. De cel is de basiseenheid van het schuim; de morfologie en de chemische samenstelling van de ribben bepalen samen de uiteindelijke eigenschappen van het schuim. Daarom is de studie van de cel een belangrijke benadering bij het ontwikkelen en ontwerpen van nieuwe soorten schuim volgens bepaalde specificaties en eisen. De cel is een twaalfvlak, gevormd door 12 vijfhoekige vensters en 30 ribben.

De eigenschappen van schuim zijn afhankelijk van de eigenschappen van iedere afzonderlijke cel, zoals:

Het karakter van het polyurethaanelastomeer zelf, die de ribben vormen
De dikte van de ribben
De totale grootte van de cel
De grootte van het venster die gelijk is aan de grootte van de opening zelf
De aanwezigheid van restmembranen in het venster en de dikte hiervan
De anisotropie van de structuur en de morfologie (vorm) van de cel
Schuim blijft een complexe combinatie van een elastomeer en lucht, waarin al deze parameters van elkaar afhankelijk zijn.

Het karakter van het PU-polymeer:


De ribben worden gemaakt van polyurethaanelastomeer. De aard van het elastomeer heeft direct invloed op de eigenschappen van de ribben, zoals de hardheid, de elasticiteit, de moeheid, de UV-bestendigheid en de weerstand tegen chemische stoffen. Enkele voorbeelden:

De hardheid en de elasticiteit worden bepaald door de mate van brugvorming in het polymeer, afhankelijk van de soort formulering en de concentratie van de plaatsen in de basisgrondstoffen waar de reacties plaatsvinden
De UV-bestendigheid wordt hoofdzakelijk bepaald door het chemische karakter van het isocyanaat en door de antioxidanten of UV-additieven
De chemische weerstand wordt vooral bepaald door de aard van het polyol. Op polyesterpolyol gebaseerde schuimsoorten zijn gevoelig voor water, maar minder gevoelig voor organische oplosmiddelen. Het tegenovergestelde geldt voor de polyetherpolyol gebaseerde schuimsoorten.

Ribdikte, totale celgrootte, venstergrootte, schuimdichtheid


De ribdikte, totale celgrootte, venstergrootte en schuimdichtheid zijn aan elkaar gerelateerd. Bij een gelijk blijvende totale celgrootte leidt een toename van de schuimdichtheid tot een toename van de dikte van de ribben, maar tot een afname van de vensteropening en de hoeveelheid lucht in het schuim.
Bij een bepaalde dichtheid leidt afname van de totale celgrootte tot een afname van de dikte van de ribben, maar het luchtgehalte in het schuim blijft gelijk.

Wijziging van de cel
De celmorfologie kan verder worden gewijzigd door middel van reticulatie, impregnering of warmtedruk.
Reticulatie
Dit is het thermische proces waarbij alle resterende “vensters” smelten. De morfologie van het schuim blijft gelijk (de ribben worden iets dikker), maar de luchtdoorlaatbaarheid neemt aanzienlijk toe als gevolg van het volledige openen van de driedimensionale celstructuur.

Impregnering
Bij impregnering blijft de totale grootte van de cel gelijk, de vensteropening wordt kleiner, de ribben worden dikker en de totale dichtheid van het foam neemt toe dankzij het extra coatingmateriaal van de zichtbare PU-ribben.

Warmtedruk
Warmtedruk reduceert de cellen en vervormt deze in horizontale richting.
De dichtheid van het schuim neemt toe, terwijl de uiteindelijke celgrootte afneemt. Als gevolg hiervan neemt de luchtdoorlaatbaarheid af en de capillariteit neemt toe.

Het aantal cellen per m³
Dit kan aan de hand van de gemiddelde inhoud van iedere afzonderlijke cel worden berekend. Bijvoorbeeld, de gemiddelde inhoud van een cel van een 60 ppi foam is 0,2 mm³, hetgeen betekent dat een dergelijke schuimsoort 5 miljard cellen per m³ bevat. Het aantal cellen per m³ voor verschillende ppi-waarden is:

PPI-aantal cellen/m³
90 ca. 17.000.000.000
60 ca. 5.000.000.000
30 ca. 600.000.000
10 ca. 20.000.000

Chemie
Vanuit chemisch oogpunt gezien is een “urethaan” de ester van een carbamidezuur.
Een polyurethaan is de herhaling van deze groep in een macromoleculaire keten en kan worden verkregen door middel van een polymerisatiereactie van een polyalcohol (polyol) met een polyisocyanaat.

Om een polyurethaanschuim te verkrijgen wordt deze polymerisatiereactie gecombineerd met een expansiereactie, door middel van een chemisch proces. Aan het mengsel wordt water toegevoegd dat reageert met het isocyanaat waarbij kooldioxidegas ontstaat.

De amine zelf reageert ook met een ander isocyanaatmolecuul en vormt een ureumfunctie die een bijdrage levert aan de totale structuur van het polymeer of een fysisch proces met gebruikmaking van een additief met een laag kookpunt dat onder invloed van de temperatuurstijging, dat tijdens de exotherme polymerisatiereacties ontstaat, gasvormig wordt.

Het chemische hoofdkenmerk van de polyurethaanschuimsoorten (in werkelijkheid veel gecompliceerder dan hierboven beschreven) is de zeer hoge reactiviteit van het isocyanaat. Het kan worden gecombineerd met een oneindig aantal polyolvarianten die leiden tot schuimsoorten met verschillende hardheden; flexibel, superzacht, hoge stramheid, middelmatige stramheid.
Het kan worden gecombineerd met een willekeurige hoeveelheid schuimmiddel, resulterend in dichtheden van 0.007 tot 1 (7 tot 1.000 kg/m³)

Hoge productiesnelheid
Alle componenten worden samen in één stap gemengd tot een polymeer en een schuim. Dit is een uniek proces.

Ruime toepasbaarheid van productieprocessen
Continuvervaardiging van schuimblokken, laminator met dubbel transport, giet- en spuitprocessen.

Afhankelijk van de aard van de polyol worden flexibele polyurethaanschuimen doorgaans in twee hoofdgroepen verdeeld: polyether en polyester:


Polyetherpolyol
Hoofdzakelijk afgeleid van een mengsel van propyleenoxide en ethyleenoxide
Polyesterpolyol
Zoals bijvoorbeeld condensatiepolymeer afgeleid van di-ethyleenglycol en adipinezuur.

Over het algemeen is met betrekking tot flexibele schuimsoorten de nominale functionaliteit (aantal hydroxylgroepen per molecuul) bij flexibele etherschuimsoorten 3 en bij flexibele esterfoamsoorten 2,5 tot 3.

Grondstoffen
De grondstoffen voor de productie van PU-schuimsoorten worden onderverdeeld in vijf groepen. De belangrijkste hiervan zijn:

Polyol
Polyetherpolyol, gebaseerd op propyleen en/of ethyleenoxide hoofdzakelijk gebruikt voor comfort verhogende toepassingen
Polyesterpolyol, verkregen via de condensatie tussen een polyalcohol (zoals ethyleenglycol) en een organisch zuur (zoals adipinezuur).

Isocyanaat
Tolueendiisocyanaat (TDI): 80/20 of 65/35 (verhouding van isomeer 2,4 en 2,6)
hoofdzakelijk gebruikt voor flexibele schuimsoorten
Methyleendifenyldiisocyanaat (MDI) gebruikt voor diverse toepassingen, inclusief onbuigzame schuimsoorten
Isoforondiisocyanaat (IPDI) gebruikt voor verschillende UV-bestendige PU-producten
Andere alifatische isocyanaten kunnen worden toegepast.

Water
Water is het chemische schuimmiddel (reactie met isocyanaat om kooldioxidegas te vormen).

Vaste additieven
Katalysators gebaseerd op aminen en organometallische derivaten
Stabilisatoren gebaseerd op siliconen of niet-siliconen.

 


Optionele additieven
Fysische schuimmiddelen
Brandvertragende stoffen
Antioxidanten
Kleurstoffen
Brugvormers, enz.