Schaumstoffe sind zelluläre Strukturen, die durch Gasblasen während der Polymerisation von Polyurethan entstehen. Flexible Polyurethan-Schaumstoffe (PU) haben eine begrenzte Widerstandsfähigkeit gegenüber der aufgebrachten Last, sind sowohl luftdurchlässig als auch verformbar. Es gibt zwei Haupttypen von flexiblem Schaum, warmen Schaum (hot cure) und kalten Schaum (cold cure), die sich in ihrer Zusammensetzung und Verarbeitungstemperatur unterscheiden.

Warmer Polyurethan-Schaum wird weit verbreitet verwendet und zeigt die Hauptzusammensetzung des tatsächlichen Schaums, während kalter Polyurethan-Schaum mehrere Vorteile in der Verarbeitung und den Eigenschaften hat, wie zum Beispiel schnellere Formgebungszeiten, bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit und größere Vielfalt.

Die Verarbeitung von kaltem Schaum ist auch aufgrund des geringen Energieverbrauchs (Formtemperatur von 30 Grad bis 65 Grad Celsius) im Vergleich zu warmem Schaum (Formtemperatur von 30 Grad bis 250 Grad Celsius) von Interesse. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Vielfalt an weichen Materialien für die Verarbeitung bei niedrigen Temperaturen. Kalter Schaum wird auf der Basis von Diphenylmethandiisocyanat (MDI) hergestellt, während warmer Schaum auf der Basis von Toluendiisocyanat (TDI) ist.

Methoden zur Herstellung von kaltem Polyurethan-Schaum

Die Herstellung von schaumgeformten Schäumen ist eine gängige Technologie, und die verschiedenen Formulierungen von schaumgeformten Schäumen unterscheiden sich mindestens so sehr wie die verschiedenen Arten von Platten. Das Konzept der Herstellung von schaumgeformten Schäumen ist einfach: Die Schaumkomponenten werden gemischt und injiziert oder in eine vorgefertigte Form gegossen, die der Schaum beim Formen ausfüllt. Der Schaum hat eine bestimmte Verweildauer und wird nach einer angemessenen Zeit aus der Form entfernt.

Nach dem Entfernen aus der Form wird der Schaum beiseite gelegt, um vollständig auszuhärten. Wie in der Industrie üblich, wurde die Technologie des schaumgeformten Polyurethans hinsichtlich der Wiederholbarkeit der Verarbeitung und der Eigenschaften stark optimiert. Im Gegensatz zur Herstellung von Blockschäumen, bei der Teile aus einem Block geschnitten werden müssen, durchlaufen schaumgeformte Schäume den Endteil als Teil des Schaumherstellungsprozesses.

Während dieses Verfahren die Ausschussquote reduziert und den Schneideprozess zur Herstellung des fertigen Teils eliminiert, ist die Durchsatzrate einer schaumgeformten Fabrik geringer und erfordert die Anwesenheit von Formen, die sehr teuer sein können. In einem typischen schaumgeformten Betrieb werden die Formen auf rotierenden oder ovalen Geräten platziert, die so rotieren, dass die Verweildauer des Schaums mit der Zeit für das Drehen und erneute Befüllen der Form übereinstimmt.

Zusätzlich zu den betrieblichen Details wählen Hersteller aufgrund der komplexen Formen, die sie zu erstellen versuchen, und der Fähigkeit, übermäßige spezifische Objekte in Formen wie funktionale Teile, dekorative Haut oder Verstärkungen zu formen, die Herstellung von schaumgeformten Schäumen. Diese Struktur ist so gestaltet, dass sie das richtige Aussehen, die richtige Funktion und die richtige Form als kombinierte Komponente bietet.

Reaktive Isocyanatbestandteile (Polyole, Kettenverlängerer, Tenside, Katalysatoren, Wasser usw.) werden in einem gemeinsamen Behälter oder in separaten Behältern platziert und dann mit Isocyanat an der Spitze eines Hochenergie-Mischers gemischt. Die Mischkomponenten werden in die Form injiziert, die Form wird geschlossen und den Komponenten wird erlaubt, auszuhärten.

Aufgrund des Bedarfs an Optimierung der Ausbeute bei der Herstellung von schaumgeformten Schäumen und gleichzeitig der Herstellung von langlebigen, bequemen und vielfältigen Schäumen ist die Formulierung von schaumgeformten Schäumen komplex und kann teilweise als Kunst beschrieben werden. Die Geschwindigkeit der Formgebung, das Gießen/Injizieren und der Aushärtungsprozess werden alle durch die gewählte Schaumformulierung kontrolliert. Ähnlich können die Details des Produktionsprozesses einen erheblichen Einfluss auf das Design der Formulierung haben. Zum Beispiel, wenn die Formen erhitzt werden, kann ein weniger reaktives System verwendet werden, und wenn die Formen nicht erhitzt oder bei niedrigeren Temperaturen erhitzt werden, wird eine andere Formulierung gewählt.

In einigen Fällen wird die Form teilweise mit einer Polyurethanformulierung gefüllt, um eine bestimmte Eigenschaft zu erzeugen, und dann anschließend mit einer anderen Formulierung gefüllt, um die gewünschten Eigenschaften für den Rest des Teils zu erzeugen. Diese Flexibilität des schaumgeformten Betriebs macht ihn sehr wünschenswert für die Herstellung von spezialisierten Teilen, trägt jedoch auch erheblich zur Komplexität der Formulierungswissenschaft bei.

Wie bereits erwähnt, sind Beispiele für Formulierungen von schaumgeformten Schäumen in der Reflexion einer Vielzahl von verfügbaren Optionen unzureichend. Dennoch sind die Hauptkategorien der in schaumgeformten Schäumen verwendeten Komponenten ähnlich denen, die für blockkalte Schäume verwendet werden. Wenn der Hersteller aktiv seine Form durch das Durchlaufen eines heißen Ofens erwärmt, wird in diesem Fall von schaumgeformtem warmem Schaum gesprochen.

In der Formulierung von warmem Schaum werden Polyole verwendet, die möglicherweise ein hohes Molekulargewicht haben und in denen ein dreidimensionales Polyol von Isocyanat umgeben ist. Ein Hersteller kann TDI, eine Mischung aus TDI mit polymerem MDI (pDMI) verwenden. Die Auswahl hängt von den Kosten, den Vorlieben des Herstellers und in einigen Fällen von geografischen Faktoren ab, die auf der Grundlage eines bestimmten Isocyanats bevorzugt werden.

Kalte schaumgeformte Polyurethan-Schaumstoffe haben im Gegensatz zu dem zuvor beschriebenen warmen Schaum eine neue industrielle Innovation und werden durch kühlere Formen und mit einer niedrigeren Ofentemperatur hergestellt. Diese Schäume zeigen normalerweise mehr als 60 bis 70 Prozent Flexibilität.

Ähnlich wie bei kalten Blockschäumen werden in schaumgeformtem kaltem Schaum Polyole mit höherem Molekulargewicht verwendet. Die niedrige Temperatur führt oft dazu, dass kalte schaumgeformte Schäume eine größere Anzahl von unberührten schaumnetzartigen Zellen aufweisen. Oft gibt es im Produktionsprotokoll Protokolle für die mechanische Zerkleinerung des Schaums nach der Entnahme aus der Form, um die Zellen zu brechen und den Luftstrom und die Atmungsaktivität des Schaums zu erhöhen. Während es ursprünglich so formuliert werden kann, dass keine zusätzliche Zerkleinerung erforderlich ist, um das Ende der Gelierphase zu gewährleisten. Einige Hersteller von schaumgeformten Schäumen produzieren den Schaum nur mit pMDI als Isocyanat.

Tatsächlich ist die Auswahl des Isocyanattyps hauptsächlich eine Präferenzfrage, bei der verschiedene Faktoren eine Rolle spielen. Dennoch gibt es mehrere Unterschiede in den Eigenschaften der produzierten Schäume zwischen den mit TDI und pMDI hergestellten Schäumen. Ein Unterschied besteht darin, dass pMDI-Schaumstoffe aufgrund der gleichmäßigen Reaktionsgeschwindigkeit des Isocyanats MDI im Allgemeinen schneller aushärten (die zweite Reaktion des Isocyanats in TDI ist normalerweise erheblich langsamer als die erste). Während die Geschwindigkeit ein bevorzugtes Merkmal im Betrieb von schaumgeformten Schäumen ist, kann eine schnelle Viskositätssteigerung die vollständige Füllung der Form beeinträchtigen.

Wenn jedoch effektiv formuliert, kann pMDI-Schaum mit einem kürzeren Zyklus hergestellt werden. Dieses Merkmal kann dem Hersteller auch ermöglichen, die Temperatur seiner Form und seines Ofens zu senken, um die chemische Kinetik und den Prozess weiter zu optimieren. Das höhere Molekulargewicht von pMDI im Vergleich zu TDI bedeutet auch, dass das Volumen des harten Teils, das für MDI-Schaum produziert wird, größer ist als das von TDI-Schaum. Dieses unterschiedliche Molekulargewicht führt dazu, dass MDI-basierte Schäume eine höhere potenzielle Last im Wasserindex und im Isocyanatindex im Vergleich zu TDI aufweisen.

Es wurde jedoch erwähnt, dass schaumgeformte Schäume mit höherem Index in einigen dynamischen Eigenschaften destruktiv sein können, während sie eine höhere Härte aufweisen.

Der komplexe Aspekt der Formulierung von Polyurethan-Schaum, auf den bereits hingewiesen wurde, sind die konventionellen Aspekte der Verwendung von schaumgeformten Schäumen. Dies wird weitgehend von einem groben Verständnis des Komforts beeinflusst, der sich dann auf die Steifigkeit des Schaums, die Flexibilität und die Atmungsaktivität (bezogen auf den Luftstrom) bezieht. Ein weiteres Merkmal des Schaums, das je nach regionaler Präferenz diktiert wird, ist der Grad der Widerstandsänderung mit zunehmender Kompression, der manchmal als „Unterstützung“ oder „Komfort“ bezeichnet wird und quantitativ durch das Verhältnis der Steifigkeit des Schaums bei zwei unterschiedlichen Drücken definiert wird.

Die Faktoren, die bei der Schaumherstellung berücksichtigt werden können, um den Präferenzen der Kunden gerecht zu werden, umfassen:

Schaumdichte (beeinflusst durch den Wassergehalt und den Anteil der festen Teile)

Zellstruktur und Offenheit des Schaums (teilweise durch Tenside und Katalysatoren diktiert)

Art und Index des Isocyanats

Leistung des Polyols und äquivalentes Gewicht

Copolymere Polyole und Feststoffanteil

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