Tolesniuose skyriuose paaiškinama poliuretano putų klampusis elastingumas etapais, derinant reakcijos mechanizmus, stebimus reiškinius ir praktinius gamybos aspektus.

1. Pagrindinės sąvokos

1. Klampumas

Klampumas rodo medžiagos pasipriešinimą tekėjimui ir atspindi jos klampumą. Didesnis klampumas reiškia prastesnį tekėjimą.

2. Elastingumas

Elastingumas reiškia medžiagos gebėjimą atgauti pradinę formą po deformacijos. Didesnis elastingumas suteikia geresnį atsparumą deformacijai ir putų subyrėjimui.

3. Gelio taškas

Gelio susidarymo taškas yra kritinis perėjimas, kai sistema iš tekančio skysčio virsta netekiu kietu tinklu. Tai svarbiausias putojimo proceso dalijimosi taškas.

4. Bendra tendencija

Putojimo metu klampumas nuolat didėja, o elastingumas palaipsniui vystosi nuo labai silpno iki dominuojančio. Po želatinizacijos elastingumas tampa pagrindine sistemos savybe.

2. Viskoelastinė evoliucija putojimo etape

1 etapas: Pradinis maišymo etapas (indukcinis laikotarpis prieš kremo ruošimą)

Valstija

Poliolis, izocianatas ir priedai ką tik sumaišyti. Cheminės reakcijos vyksta lėtai, dujų susidarymas minimalus, o sistema išlieka homogeniška skysta.

Viskoelastinės charakteristikos

• Mažas klampumas ir puikus tekėjimas.
• Praktiškai nėra elastingumo.
• Veikiant išorinei jėgai, medžiaga laisvai teka, o deformacija yra negrįžtama.

Pokyčių priežastis

Molekulinės grandinės dar nesudarė reikšmingų skersinių jungčių. NCO–OH reakcijos greitis išlieka mažas, o polimerų tinklas dar nesusiformavo.

Gamybos stebėjimas

Mišinys atrodo skaidrus arba tik šiek tiek pieniškas ir laisvai teka.

2 etapas: Kremo susidarymo etapas (putojimo pradžia)

Valstija

Reakcijos greitis pagreitėja. Vanduo reaguoja su izocianatu ir išskiria didelį kiekį CO₂. Sistema tampa balta, atsiranda mažų burbuliukų ir prasideda pradinis plėtimasis.

Viskoelastinės charakteristikos

• Klampumas sparčiai didėja, susidarant oligomerams ir ilgesnėms molekulinėms grandinėms.
• Dėl preliminarių grandininių asociacijų susidarymo pradeda ryškėti silpnas elastingumas.
• Sistema išlieka daugiausia klampi ir toliau teka bei tempiasi.

Pagrindinė funkcija

Burbulai nuolat formuojasi ir auga. Sistema daugiausia remiasi savo klampumu, kad apgaubtų dujų burbuliukus ir neleistų dujoms ištrūkti.

3 etapas: Pakilimo etapas (intensyvaus putojimo laikotarpis prieš želatinizacijos procesą)

Valstija

Reakcijos greitis pasiekia aukščiausią tašką. Susidaro dideli dujų kiekiai, putų tūris sparčiai plečiasi, o ląstelės sparčiai auga. Tai yra svarbiausias putų susidarymo etapas.

Viskoelastinės charakteristikos

• Klampumas toliau smarkiai didėja.
• Srautumas žymiai sumažėja.
• Susiejimo reakcijos suintensyvėja, todėl elastingumas sparčiai didėja.
• Viskoelastinis elgesys tampa ryškesnis, palaipsniui pereinant prie elastingo dominavimo.
• Medžiaga įgauna atsparumą tempimui ir dilimui.

Tempiant putas, jos deformuojasi, bet iš dalies atsigauna, kai jėga pašalinama. Augantys burbuliukai išlieka efektyviai stabilizuoti matricoje.

Proceso pasekmės

• Jei elastingumas nepakankamas ir dominuoja klampumas, burbuliukai gali plyšti, susilieti arba subliūkšti.
• Jei elastingumas išsivysto per anksti arba per stipriai, putų plėtimasis yra ribotas, todėl galutinis tankis padidėja.

4 etapas: Gelio taškas (kritinis perėjimo etapas)

Valstija

Iš esmės sukuriamas trimatis susiūtas tinklas. Putojimo ir želatinizacijos procesai pasiekia pusiausvyrą, todėl tai yra svarbiausias viso proceso momentas.

Viskoelastinė transformacija

• Sistema praranda gebėjimą tekėti.
• Matomas klampumas artėja prie begalybės.
• Elastingumas tampa dominuojančia savybe.
• Deformacija tampa pirmiausia elastinga, greitai atsigaunanti po suspaudimo ar tempimo.
• Ląstelių struktūros tampa visam laikui fiksuotos, kai ląstelių sienelės sukietėja.

Gamybos reikšmė

• Per anksti atsiradęs geliacijos procesas gali lemti nepilną išsiplėtimą ir didelį putų tankį.
• Per vėlai įvykęs geliacijos procesas gali sukelti dujų praradimą, putų susitraukimą ir subliūškimą.

5 etapas: Kietėjimo ir brandinimo etapas (po geliacijos)

Valstija

Likusios reaktyviosios grupės toliau reaguoja, dar labiau stiprindamos susiūtą tinklą. Putų plėtimasis sustoja, o medžiaga palaipsniui kietėja.

Viskoelastinės charakteristikos

• Skersinio ryšio tankis toliau didėja.
• Tvirtumas palaipsniui didėja.
• Elastingumas stabilizuojasi.

Lanksčioms putoms:

• Išlaikomas didelis elastingumas.
• Išlaikomas geras atsparumas ir tvirtumas.

Kietoms putoms:

• Elastingumas mažėja.
• Medžiaga pereina į kietą, standžią būseną.
• Deformacija tampa labiau plastiška nei elastinga.

Iš pradžių egzistuoja liekamieji vidiniai įtempiai, kurie kietėjimo metu palaipsniui išnyksta, todėl klampos elastinės savybės stabilizuojasi.

Vėlesni pakeitimai

Po pakankamo kietėjimo aplinkos sąlygomis skersinis sujungimas iš esmės užbaigiamas, o mechaninės ir klampos elastinės savybės išlieka santykinai stabilios.

3. Pagrindiniai veiksniai, darantys įtaką viskoelastiniam elgesiui

1. Katalizatoriai (svarbiausias kontrolės veiksnys)

Pučiamieji katalizatoriai

• Pagreitinti dujų susidarymą.
• Skatina ankstesnį klampumo susidarymą.
• Pagreitinkite putų plėtimąsi.

Gelio katalizatoriai

• Pagreitinti kryžminio sujungimo reakcijas.
• Greičiau sukurkite elastingą tinklą.
• Sutrumpinkite gelio džiūvimo laiką.

Katalizatoriaus disbalansas

Netinkamas pūtimo ir gelio katalizatorių balansas sutrikdo putojimo ir želatinizacijos atitikimą, iškreipia klampų elastinį profilį ir gali sukelti putų kolapsą, susitraukimą arba šiurkščias ląstelių struktūras.

2. Žaliavos temperatūra

Aukštesnė temperatūra

• Pagreitina bendrą reakcijos greitį.
• Padidina klampumo ir elastingumo vystymosi greitį.
• Sukelia ankstyvą želatinizacijos procesą.

Žemesnė temperatūra

• Lėtina reakcijos greitį.
• Sukuria laipsniškesnį viskoelastinių savybių didėjimą.
• Lėtina želatinizacijos procesą ir padidina dujų praradimo riziką.

3. NCO indeksas (izocianatų indeksas)

Aukštas puskarininkių indeksas

• Skatina stipresnį skersinį sujungimą.
• Greičiau padidina elastingumą ir standumą.
• Sudaro trapesnę putą.

Žemas NCO indeksas

• Dėl to susidaro nepakankamas skersinis sujungimas.
• Sukelia silpnesnį elastingumą ir didesnį likutinį klampumą.
• Gamina minkštesnes putas, kurios labiau deformuojasi ir blogiau atsigauna.

4. Paviršinio aktyvumo medžiagos ir užpildai

Silikoninės paviršinio aktyvumo medžiagos

• Pagerinti tarpfazinio įtempimo kontrolę.
• Skatinti tolygų viskoelastinio pasiskirstymą visoje putplasčio medžiagoje.
• Užkirsti kelią nelygioms ląstelių struktūroms, atsirandančioms dėl lokalizuotų klampumo ar elastingumo skirtumų.

Neorganiniai užpildai

• Padidinkite pradinę sistemos klampumą.
• Sumažinti elastingumą.
• Padarykite putplasčio struktūrą standesnę.

5. Poliolio struktūra

Didelio funkcionalumo polioliai

• Lengviau formuoti tankius, susiūtus tinklus.
• Greitai padidinkite elastingumą ir standumą.

Didelės molekulinės masės, ilgos grandinės polioliai

• Sukurkite laipsniškesnį kryžminio sujungimo procesą.
• Sukurti minkštesnį elastingą elgesį.
• Išlaikykite klampumą ilgesnį laiką.
• Būdingos lanksčioms putų formulėms.

4. Santrauka: bendra klampos elastingumo tendencija putojimo metu

Iš esmės visas putojimo procesas yra reologinė transformacija, kurios metu sistema vystosi išgrynai klampus skystisį atrimatis susiūtas elastomerinis tinklas.

Pusiausvyra tarpputų plėtimasis ir geliacija, kurį atspindi kintančios sistemos klampos elastinės savybės, tiesiogiai lemia galutinę putų struktūrą, matmenų stabilumą ir bendrą produkto kokybę.