Le schiume sono strutture cellulari create da bolle di gas durante la polimerizzazione del poliuretano. Le schiume poliuretaniche flessibili (PU) hanno una resistenza limitata al carico applicato, sono permeabili all'aria e deformabili. Esistono due principali tipi di schiume flessibili, la schiuma calda (hot cure) e la schiuma fredda (cold cure), che differiscono per composizione e temperatura di lavorazione.

La schiuma calda di poliuretano è ampiamente utilizzata e rappresenta la composizione principale della schiuma reale, mentre la schiuma fredda di poliuretano presenta numerosi vantaggi in termini di lavorazione e proprietà, ad esempio, tempi di stampaggio più rapidi, migliori proprietà di resistenza all'umidità e maggiore varietà.

La lavorazione della schiuma fredda è anche apprezzata per il basso consumo energetico (temperatura dello stampo da 30 gradi a 65 gradi Celsius) rispetto alla schiuma calda (temperatura dello stampo da 30 gradi a 250 gradi Celsius). Un altro vantaggio è l'alta varietà di materiali morbidi per stampi lavorati a bassa temperatura. La schiuma fredda è realizzata a base di difenilmetano diisocianato (MDI), mentre la schiuma calda è basata su toluene diisocianato (TDI).

Metodi di produzione della schiuma fredda di poliuretano

La produzione di schiume stampate è una tecnologia comune e i vari formulati di schiuma stampata differiscono almeno quanto i vari tipi di lastre. Il concetto di produzione di schiuma stampata è semplice: i componenti della schiuma vengono miscelati e iniettati o versati in uno stampo preformato che viene riempito dalla schiuma durante la sua formazione. La schiuma ha un tempo di permanenza specifico e viene rimossa dallo stampo dopo un tempo adeguato di permanenza.

Dopo essere stata rimossa dallo stampo, la schiuma viene lasciata riposare fino a completa polimerizzazione. Come avviene nell'industria, la tecnologia della schiuma stampata di poliuretano è stata ottimizzata in termini di ripetibilità della lavorazione e proprietà. A differenza della produzione di schiuma a pezzi, dove i pezzi devono essere tagliati da un blocco, le schiume stampate subiscono il processo di stampaggio come parte dell'operazione di produzione della schiuma.

Questo metodo riduce il tasso di scarto ed elimina l'operazione di taglio per la produzione del pezzo finito, ma la capacità operativa di uno stabilimento di schiuma stampata è inferiore e richiede la presenza di stampi, che possono essere molto costosi. Nelle operazioni comuni di schiuma stampata, gli stampi sono posizionati su attrezzature rotanti o ovali che ruotano in modo tale che il tempo di permanenza della schiuma corrisponda al tempo necessario per ruotare e riempire nuovamente lo stampo.

Oltre ai dettagli operativi, i produttori scelgono di realizzare schiume stampate a causa delle forme complesse che cercano di creare e della capacità di stampare oggetti specifici in forme come pezzi funzionali, rivestimenti decorativi o rinforzi. Questa struttura è progettata per fornire un aspetto, una funzionalità e una forma corretta come parte di un'operazione combinata.

I componenti reattivi di isocianato (polioli, additivi di catena, tensioattivi, catalizzatori, acqua, ecc.) vengono posti in un serbatoio comune o in serbatoi separati e poi mescolati con isocianato nella parte superiore del miscelatore ad alta energia. I componenti miscelati vengono iniettati nello stampo, lo stampo viene chiuso e si consente ai componenti di polimerizzare.

Data la necessità di ottimizzare l'efficienza della produzione di schiuma stampata e allo stesso tempo produrre schiume durevoli, comode e versatili, la formulazione delle schiume stampate è complessa e può essere in parte descritta come un'arte. La velocità di stampaggio, versamento/iniezione e il processo di polimerizzazione sono tutti controllati dalla formulazione selezionata della schiuma. Analogamente, i dettagli operativi della produzione possono avere un impatto significativo sulla progettazione della formulazione. Ad esempio, se gli stampi della schiuma vengono riscaldati, si può utilizzare un sistema reattivo meno, e se gli stampi non vengono riscaldati o vengono riscaldati a temperature più basse, si sceglierà un'altra formulazione.

In alcuni casi, lo stampo viene parzialmente riempito con una formulazione di poliuretano per creare una caratteristica specifica e poi successivamente riempito con un'altra formulazione per produrre le caratteristiche desiderate per il resto del pezzo. Questa flessibilità nell'operazione di schiuma stampata la rende molto desiderabile per la produzione di pezzi specializzati, ma contribuisce anche notevolmente alla complessità della scienza della formulazione.

Come già accennato, gli esempi di formulazioni di schiuma stampata riflettono una gamma di opzioni disponibili, ma sono insufficienti. Tuttavia, le categorie principali dei componenti utilizzati nelle schiume stampate sono simili a quelle utilizzate per la schiuma fredda a blocchi. Se il produttore riscalda attivamente il proprio stampo passando attraverso un forno caldo, in questo caso si parla di schiuma stampata calda.

Nella formulazione della schiuma calda si utilizzano polioli che possono avere un alto peso molecolare e in cui un poliolo trifunzionale è circondato da isocianato. Un produttore può utilizzare TDI, una miscela di TDI con MDI polimerico (pDMI). La scelta dipende dal prezzo, dalle preferenze del produttore e, in alcuni casi, dalla geografia in base alla quale un particolare isocianato è preferito per contratto.

Le schiume stampate di poliuretano freddo, in contrapposizione alla schiuma calda precedentemente descritta, presentano un'innovazione industriale e sono prodotte da stampi più freddi e con temperature di forno distinte. Queste schiume mostrano generalmente oltre il 60-70 percento di flessibilità.

Come nelle schiume a pezzi fredde, nella schiuma fredda stampata si utilizzano polioli con peso molecolare più elevato. La bassa temperatura spesso fa sì che le schiume stampate fredde abbiano un numero maggiore di celle di schiuma con una rete intatta. Spesso nel protocollo di produzione è previsto il frantumamento meccanico della schiuma dopo il recupero dallo stampo al fine di rompere le celle e aumentare il flusso d'aria e la traspirabilità della schiuma; mentre in origine può essere formulata in modo tale da non richiedere operazioni di frantumazione aggiuntive per garantire il completamento della fase di gelificazione. Alcuni produttori di schiume stampate producono schiuma utilizzando solo pMDI come isocianato.

In effetti, la scelta del tipo di isocianato è principalmente una questione di preferenza, in cui diversi fattori giocano un ruolo. Tuttavia, ci sono diverse differenze nelle proprietà delle schiume prodotte tra quelle realizzate con TDI e pMDI. Una differenza è che le schiume pMDI generalmente polimerizzano più rapidamente a causa della reazione uniforme dell'isocianato MDI (la seconda reazione dell'isocianato in TDI è generalmente significativamente più lenta della prima). Mentre la velocità è una caratteristica preferita nelle operazioni di schiuma stampata, l'aumento rapido della viscosità può interferire con il riempimento completo dello stampo.

Tuttavia, quando è formulata in modo efficace, la schiuma pMDI può essere prodotta con un ciclo più breve. Questa caratteristica può anche consentire al produttore di abbassare la temperatura dello stampo e del forno per bilanciare ulteriormente la cinetica chimica e il processo. Il volume molecolare maggiore del pMDI rispetto al TDI significa anche che il volume del pezzo rigido prodotto per la schiuma MDI è maggiore rispetto alla schiuma TDI. Questa differenza di volume molecolare porta a schiume basate su MDI con un potenziale di carico più elevato nell'indice di acqua e nell'indice di isocianato rispetto al TDI.

Tuttavia, è stato osservato che le schiume stampate con un indice più elevato possono essere distruttive in alcune proprietà dinamiche mentre mostrano una maggiore rigidità.

Il complesso aspetto della formulazione della schiuma di poliuretano, già menzionato, è un aspetto convenzionale dell'uso delle schiume stampate. Questo è ampiamente influenzato dalla comprensione approssimativa del comfort, che è poi correlato alla rigidità della schiuma, alla flessibilità e alla traspirabilità (relativa al flusso d'aria). Un'altra caratteristica della schiuma, che è dettata dalla preferenza regionale, è il grado di variazione della resistenza con l'aumento della compressione, che a volte è chiamato "supporto" o "comfort" e viene definito quantitativamente dal rapporto di rigidità della schiuma a due pressioni diverse.

I fattori costitutivi della schiuma che il progettista della schiuma potrebbe considerare per soddisfare le preferenze del cliente includono:

Densità della schiuma (influenzata dal livello d'acqua e dalla percentuale di parte rigida)

Struttura cellulare e apertura della schiuma (in parte dettata da tensioattivi e catalizzatori)

Tipo e indice di isocianato

Prestazioni del poliolo e peso equivalente

Copolimero di poliolo e percentuale di solidi

Materiali aggiuntivi per la progettazione

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