Turpmākajās sadaļās ir paskaidrota poliuretāna putu viskoelastīgā evolūcija pa posmiem, apvienojot reakcijas mehānismus, novērojamās parādības un praktiskus ražošanas apsvērumus.

1. Pamatjēdzieni

1. Viskozitāte

Viskozitāte atspoguļo materiāla pretestību plūsmai un tā viskozo uzvedību. Augstāka viskozitāte nozīmē sliktāku plūstamību.

2. Elastība

Elastība attiecas uz materiāla spēju atgūt sākotnējo formu pēc deformācijas. Lielāka elastība nodrošina labāku izturību pret deformāciju un putu sabrukšanu.

3. Gēla punkts

Želejas veidošanās punkts ir kritiskā pāreja, kurā sistēma mainās no plūstoša šķidruma uz neplūstošu cietu tīklu. Tas ir vissvarīgākais dalīšanās punkts putošanas procesā.

4. Kopējā tendence

Putošanas laikā viskozitāte nepārtraukti palielinās, savukārt elastība pakāpeniski attīstās no ļoti vājas līdz dominējošai. Pēc želejveida veidošanās elastība kļūst par sistēmas vadošo raksturlielumu.

2. Viskoelastīgā evolūcija putošanas stadijā

1. posms: sākotnējā sajaukšanas stadija (indukcijas periods pirms krējuma pagatavošanas)

Štats

Poliols, izocianāts un piedevas ir tikko sajauktas. Ķīmiskās reakcijas notiek lēni, gāzes veidošanās ir minimāla, un sistēma paliek homogēns šķidrums.

Viskoelastīgās īpašības

• Zema viskozitāte un lieliska plūstamība.
• Praktiski nav elastības.
• Ārēja spēka ietekmē materiāls brīvi plūst, un deformācija ir neatgriezeniska.

Izmaiņu cēlonis

Molekulārajās ķēdēs vēl nav izveidojušās būtiskas šķērssaites. NCO–OH reakcijas ātrums joprojām ir zems, un nav izveidojies polimēru tīkls.

Ražošanas novērošana

Maisījums ir caurspīdīgs vai tikai nedaudz pienains un brīvi plūst.

2. posms: Krēma veidošanās stadija (putošanas sākšanās)

Štats

Reakcijas ātrums paātrinās. Ūdens reaģē ar izocianātu, radot ievērojamu daudzumu CO₂. Sistēma kļūst balta, parādās mazi burbuļi un sākas sākotnējā izplešanās.

Viskoelastīgās īpašības

• Viskozitāte strauji palielinās, veidojoties oligomēriem un garākām molekulārajām ķēdēm.
• Vāja elastība sāk parādīties sākotnējo ķēdes asociāciju veidošanās dēļ.
• Sistēma joprojām ir pārsvarā viskoza un turpina plūst un stiepties.

Galvenā iezīme

Burbuļi nepārtraukti veidojas un aug. Sistēma galvenokārt paļaujas uz savu viskozitāti, lai iekapsulētu gāzes burbuļus un novērstu gāzes izplūšanu.

3. posms: Augšanas posms (intensīvas putošanas periods pirms želejveida konsistences)

Štats

Reakcijas ātrums sasniedz maksimumu. Rodas liels gāzes daudzums, putu tilpums strauji palielinās un šūnas strauji aug. Šis ir vissvarīgākais putu veidošanās posms.

Viskoelastīgās īpašības

• Viskozitāte turpina strauji palielināties.
• Plūstamība ievērojami samazinās.
• Šķērssaistīšanas reakcijas pastiprinās, kā rezultātā elastība strauji palielinās.
• Viskoelastīgā uzvedība kļūst izteiktāka, pakāpeniski virzoties uz elastības dominanci.
• Materiāls attīsta stiepes izturību un izturību pret sabrukšanu.

Stiepjot, putas deformējas, bet daļēji atgūstas, kad spēks tiek noņemts. Augošie burbuļi paliek efektīvi stabilizēti matricā.

Procesa ietekme

• Ja elastība ir nepietiekama un dominē viskozitāte, burbuļi var plīst, saplūst vai sabrukt.
• Ja elastība attīstās pārāk agri vai pārāk spēcīgi, putu izplešanās ir ierobežota, kā rezultātā palielinās galīgais blīvums.

4. posms: želejas punkts (kritiskā pārejas stadija)

Štats

Būtībā ir izveidots trīsdimensiju savstarpēji saistīts tīkls. Putošanās un želejveida veidošanās sasniedz līdzsvaru, padarot to par kritiskāko punktu visā procesā.

Viskoelastīgā transformācija

• Sistēma zaudē spēju plūst.
• Šķietamā viskozitāte tuvojas bezgalībai.
• Elastība kļūst par dominējošo īpašību.
• Deformācija kļūst galvenokārt elastīga, un pēc saspiešanas vai stiepšanas tā ātri atjaunojas.
• Šūnu struktūras kļūst pastāvīgi fiksētas, šūnu sienām sacietējot.

Ražošanas nozīme

• Pārāk agra želejveida veidošanās var izraisīt nepilnīgu izplešanos un augstu putu blīvumu.
• Pārāk vēla želejveida veidošanās var izraisīt gāzes zudumu, putu saraušanos un sabrukšanu.

5. posms: sacietēšanas un nobriešanas posms (pēc želejveida konsistence)

Štats

Atlikušās reaģējošās grupas turpina reaģēt, vēl vairāk nostiprinot savstarpēji saistīto tīklu. Putu izplešanās apstājas, un materiāls pakāpeniski sacietē.

Viskoelastīgās īpašības

• Šķērssaites blīvums turpina pieaugt.
• Stingrība pakāpeniski palielinās.
• Elastība stabilizējas.

Elastīgām putām:

• Tiek saglabāta augsta elastība.
• Tiek saglabāta laba izturība un cietība.

Stingrām putām:

• Elastība samazinās.
• Materiāls pāriet uz stingru cietu stāvokli.
• Deformācija kļūst plastiskāka nekā elastīga.

Sākotnēji pastāv atlikušie iekšējie spriegumi, kas sacietēšanas laikā pakāpeniski izzūd, ļaujot viskoelastīgajām īpašībām stabilizēties.

Turpmākās izmaiņas

Pēc pietiekamas sacietēšanas apkārtējās vides apstākļos šķērssaistīšanās kļūst praktiski pilnīga, un mehāniskās un viskoelastīgās īpašības saglabājas relatīvi stabilas.

3. Galvenie faktori, kas ietekmē viskoelastīgo uzvedību

1. Katalizatori (vissvarīgākais kontroles faktors)

Pūšamie katalizatori

• Paātrināt gāzes veidošanos.
• Veicināt agrāku viskozitātes attīstību.
• Paātriniet putu izplešanos.

Gēla katalizatori

• Paātrināt šķērssaistīšanas reakcijas.
• Izveidojiet elastīgo tīklu ātrāk.
• Saīsiniet želejas žūšanas laiku.

Katalizatora nelīdzsvarotība

Nepareizs līdzsvars starp pūšanas un gēla katalizatoriem izjauc putošanas un gēla veidošanās atbilstību, izkropļo viskoelastīgo profilu un var izraisīt putu sabrukšanu, saraušanos vai rupjas šūnu struktūras.

2. Izejvielu temperatūra

Augstāka temperatūra

• Paātrina kopējo reakcijas ātrumu.
• Palielina viskozitātes un elastības attīstības ātrumu.
• Izraisa agrāku želejveida veidošanos.

Zemāka temperatūra

• Palēnina reakcijas ātrumu.
• Veicina pakāpeniskāku viskoelastīgo īpašību pieaugumu.
• Kavē želejveida veidošanos un palielina gāzu zuduma risku.

3. NCO indekss (izocianātu indekss)

Augsts NCO indekss

• Veicina spēcīgāku šķērssavienojumu veidošanos.
• Ātrāk palielina elastību un stingrību.
• Veido trauslākas putas.

Zems NCO indekss

• Rezultējas nepietiekamā šķērssavienojumā.
• Noved pie vājākas elastības un lielākas atlikušās viskozitātes.
• Ražo mīkstākas putas ar lielāku deformāciju un sliktāku atveseļošanos.

4. Virsmaktīvās vielas un pildvielas

Silikona virsmaktīvās vielas

• Uzlabot starpfāžu spriedzes kontroli.
• Veicināt vienmērīgu viskoelastīgo sadalījumu visā putu masā.
• Novērst nevienmērīgas šūnu struktūras, ko izraisa lokalizētas viskozitātes vai elastības atšķirības.

Neorganiskās pildvielas

• Palieliniet sākotnējo sistēmas viskozitāti.
• Samazināt elastību.
• Padariet putu struktūru kopumā stingrāku.

5. Poliola struktūra

Augstas funkcionalitātes polioli

• Vieglāk veidot blīvus, savstarpēji saistītus tīklus.
• Ātri palieliniet elastību un stingrību.

Augstas molekulmasas, garas ķēdes polioli

• Izveidojiet pakāpeniskāku šķērssaistīšanas procesu.
• Radīt mīkstāku elastīgo uzvedību.
• Saglabā viskozitāti ilgāku laiku.
• Ir raksturīgi elastīgiem putu sastāviem.

4. Kopsavilkums: Kopējā viskoelastības tendence putošanas laikā

Būtībā viss putošanas process ir reoloģiska transformācija, kurā sistēma attīstās notīri viskozs šķidrumsiekšātrīsdimensiju šķērssaistīts elastomēru tīkls.

Līdzsvars starpputu izplešanās un želejveida veidošanās, ko atspoguļo mainīgās sistēmas viskoelastīgās īpašības, tieši nosaka galīgo putu struktūru, izmēru stabilitāti un kopējo produkta kvalitāti.