En el proceso de moldeo de espuma o materiales poliméricos espumados, se forma una estructura en forma de panal o porosa mediante la adición y reacción de agentes espumantes físicos o agentes espumantes químicos. Los pasos básicos del moldeo de espuma son la formación de núcleos de burbujas, el crecimiento o expansión de los núcleos de burbujas y la estabilización de los núcleos de burbujas. En determinadas condiciones de temperatura y presión, la solubilidad del gas disminuye hasta alcanzar un estado saturado, lo que permite eliminar el exceso de gas y formar burbujas, logrando así la nucleación.
Introducción
Espumoso
Un término general para el método de moldeo de espuma. Según el método de fabricación de espuma, se puede dividir en dos categorías: el método de mezclar las materias primas plásticas para espumar y luego producir la espuma en un proceso se llama método de espumado de un paso, también conocido como método directo, y la espuma de poliuretano es su representante típico.; El método de producir plásticos de espuma en dos procesos se llama método de espumado de dos pasos, también conocido como método intermitente. En el espumado de dos pasos, el proceso anterior se llama preespumado o preespumado. En este momento, la espuma o perlas no se han expandido completamente y la densidad es alta. Las perlas producidas de esta manera son perlas expandibles. El último proceso se llama postespumado o espumado secundario y produce un producto de espuma final de baja densidad totalmente expandido. El poliestireno , la espuma de polietileno , etc., se fabrican utilizando este método. Industrialmente, los métodos de moldeo de espuma se clasifican de la siguiente manera: (1) Moldeo continuo de espuma por calandrado, extrusión o métodos de cinta transportadora; (2) Producción de espumas con forma final una por una mediante moldeo por inyección, lo que se denomina moldeo intermitente. (3) Inyectar el complejo de materia prima líquida o particulada en el molde según los requisitos de uso para espumarlo, lo que se denomina moldeo por espumado in situ.
Introducción técnica
La formación de espuma es el proceso de crear una estructura microcelular en los plásticos. Casi todos los plásticos termoestables y termoplásticos pueden transformarse en espuma. Entre las resinas más utilizadas se encuentran: resina de poliestireno, resina de poliuretano, resina de cloruro de polivinilo , resina de polietileno, resina de urea-formaldehído , resina fenólica, etc.
Según la estructura celular, los plásticos espumados se pueden clasificar en dos categorías: si la mayoría de los poros están conectados entre sí, se denomina plástico espumado de celda abierta ; si la mayoría de los poros están separados entre sí, se denomina plástico espumado de celda cerrada. La estructura de la espuma, ya sea de celda abierta o cerrada, viene determinada por el método de fabricación.
1. La espuma química es un gas producido por la descomposición térmica de un agente espumante químico especialmente añadido o una reacción química entre los componentes de la materia prima, lo que hace que el plástico fundido llene las celdas.
Los gases liberados por los agentes espumantes químicos cuando se calientan incluyen dióxido de carbono, nitrógeno, amoníaco, etc.
La espumación química se utiliza comúnmente en la producción de espuma de poliuretano.
2. Espuma física La espuma física es un método que consiste en disolver un gas o un líquido en un plástico y luego hacer que se expanda o se vaporice y forme espuma. La espuma física es adecuada para muchos tipos de plásticos.
3. La espumación mecánica es un método de formación de espuma que utiliza agitación mecánica para mezclar gas con la mezcla líquida y luego forma celdas mediante el proceso de conformación. Este método se utiliza a menudo para resinas de urea-formaldehído, pero también es adecuado para otras como el polivinilformal, el acetato de polivinilo y el cloruro de polivinilo en solución.
Principio de moldeo de espuma
El proceso de formación de burbujas consiste en disolver primero el gas en el polímero líquido o calentar el polímero hasta fundirlo, generando gas y formando una solución saturada, para luego formar innumerables núcleos de burbujas diminutos mediante nucleación. Por lo tanto, el moldeo y la conformación de plásticos espumados se dividen generalmente en tres etapas: la formación de núcleos de burbujas, el crecimiento de núcleos de burbujas y la estabilización de núcleos de burbujas. Posteriormente, se expande hasta formar una espuma con la estructura requerida. Finalmente, la estructura de la espuma se fija mediante asimilación y conformación para obtener un producto de plástico espumado . Los factores de formación de estas tres etapas son diferentes. A continuación, se presentan los mecanismos de formación y los factores que influyen en estas tres etapas.
El proceso de formación de núcleos de burbujas.
La etapa inicial del proceso de formación de espuma plástica consiste en formar una gran cantidad de núcleos de burbujas en el plástico fundido o líquido, y luego expandir los núcleos de burbujas hasta formar espuma. El llamado núcleo de burbuja se refiere a la microburbuja original, que es donde se juntaron inicialmente las moléculas de gas. Se agrega una fase gaseosa a la fase líquida del polímero y el gas se distribuye en la solución para producir espuma. Si se agregan partículas sólidas muy finas o núcleos de burbujas diminutos al mismo tiempo, aparecerá una segunda fase dispersa en forma de gas, lo que es beneficioso para la formación de espuma. Las sustancias agregadas que facilitan la formación de espuma se denominan agentes nucleantes. Si no se agregan agentes nucleantes, se formará fácilmente una espuma de poros grandes.
La etapa de formación de los núcleos de burbujas desempeña un papel fundamental en la calidad de la espuma moldeada. Si puede aparecer una gran cantidad de núcleos de burbujas distribuidos uniformemente en la masa fundida al mismo tiempo, será beneficioso obtener un cuerpo de burbuja con células finas y uniformes; si solo se agrega una pequeña cantidad de núcleos de burbujas a la masa fundida, la espuma final formada será pequeña y desigual, la espuma es más densa y de peor calidad, por lo que es muy importante controlar la etapa de formación de los núcleos de burbujas durante el proceso de espumado.
Condiciones para la formación de núcleos de burbujas
Se añade un agente espumante químico (o gas) a la mezcla líquida o plástica fundida, y el gas (o gas añadido) producido por la reacción química producirá una solución gas-líquido. A medida que aumenta la cantidad de gas generado, la solución se satura. En este momento, el gas escapará de la solución para formar núcleos de burbujas. En este momento, se forma una fase bifásica gas-líquido en la solución; el proceso de formación de núcleos de burbujas en una solución gas-líquido se denomina nucleación. La nucleación se puede dividir en nucleación homogénea y nucleación heterogénea. En la producción real, a menudo se añaden agentes nucleantes para facilitar que la nucleación se produzca a concentraciones de gas más bajas. Los agentes nucleantes suelen ser partículas sólidas finas o poros diminutos. Si no se añaden agentes nucleantes, pueden formarse poros gruesos.
Proceso de crecimiento de burbujas
Aumentar la cantidad de gas disuelto, elevar la temperatura, provocar la expansión del gas y la fusión de burbujas son beneficiosos para promover el crecimiento de la espuma. Después de que el gas forma burbujas a partir de burbujas pequeñas, la presión del gas dentro de la burbuja es inversamente proporcional a su radio. Cuanto más pequeña sea la burbuja, mayor será la presión interna: cuando las dos Cuando las burbujas de diferentes tamaños se acercan entre sí, el gas se difunde desde las burbujas pequeñas a las burbujas grandes, lo que hace que las burbujas se fusionen. Al mismo tiempo, el número de burbujas aumenta considerablemente a través de la acción del agente nucleante, y la expansión de las burbujas expande el tamaño de los poros de las burbujas, lo que hace que la espuma continúe expandiéndose. Por lo tanto, después de que se forman las burbujas, el gas se expande debido al calor y las burbujas se fusionan, lo que promueve el crecimiento continuo de las burbujas.
Factores que afectan el crecimiento de las burbujas
Hay muchos factores que afectan la expansión del gas en líquidos, que se pueden resumir en dos categorías: una son las materias primas, incluido el tipo y la cantidad de materias primas, como el tipo de agente espumante, la solubilidad y el coeficiente de difusión, etc.; la otra son las condiciones de moldeo y procesamiento, incluido el proceso de moldeo, las condiciones del proceso y los parámetros estructurales del equipo, como la temperatura de moldeo, la presión, la velocidad de corte y los parámetros geométricos de la matriz, etc. Estos parámetros tienen un mayor impacto en la expansión de las burbujas. Durante el proceso de expansión de las burbujas, la tensión superficial del polímero y la viscosidad de la solución son los principales factores que dificultan el crecimiento de las burbujas. El grado de acción de estos dos factores debe ser adecuado. Sin embargo, durante todo el proceso de espumación, la viscosidad de la masa fundida del plástico disminuye debido al aumento de temperatura. En este momento, debido al sobrecalentamiento de áreas locales (comúnmente conocidas como puntos calientes), o debido a la acción de los agentes antiespumantes, la superficie de las áreas locales de la masa fundida se vuelve La reducción de la tensión hará que la membrana de la pared celular se vuelva más delgada e incluso haga que la espuma colapse.
Para controlar el proceso de expansión de las burbujas, es necesario comprender la potencia y la resistencia de la expansión de las burbujas y la relación entre los diversos factores que influyen. Hay muchos factores que afectan la expansión de las burbujas, como las propiedades reológicas del polímero, el tipo y la cantidad de agente espumante y agente nucleante, el proceso de moldeo y los parámetros estructurales del equipo, etc. En el proceso de crecimiento de las burbujas, la tensión superficial y la viscosidad de la solución son factores importantes que dificultan el crecimiento de las burbujas.
Para obtener plásticos de espuma de alta calidad con celdas uniformes, densas y ligeras, primero se debe formar una gran cantidad de núcleos de burbujas distribuidos uniformemente y gas sobresaturado en la masa fundida al mismo tiempo durante el moldeo de la espuma. La relación entre la cantidad total de gas sobresaturado en la masa fundida y el número de núcleos de burbujas determina el tamaño de las burbujas. Cuanto mayor sea la relación entre la suma de las áreas de superficie de las burbujas y el área de superficie exterior de la masa fundida, mayor será la cantidad de solución sobresaturada que se difunde desde la masa fundida hasta la superficie de la burbuja y entra en las burbujas. Esto puede reducir la cantidad de gas perdido de la superficie exterior de la masa fundida y mejorar la utilización del gas. Si el número de núcleos de burbujas es demasiado pequeño, se perderá más gas de la superficie exterior de la masa fundida a la atmósfera. Como resultado, la cantidad de burbujas obtenidas por cada núcleo de burbuja puede ser mayor, pero la tasa de utilización del gas es baja. La espuma así obtenida tiene celdas grandes, gran cantidad y alta calidad, y tiene escasos beneficios económicos. Por lo tanto, para producir espuma de alta calidad, debe existir una gran cantidad de núcleos de burbujas y gas sobresaturado en la masa fundida al mismo tiempo.
Estabilidad de la burbuja
La mayoría de los sistemas en los que coexisten fases gaseosas y líquidas son inestables. Durante el proceso de formación de la espuma, debido a la generación y expansión continua de burbujas, se forman innumerables burbujas, lo que aumenta el volumen y la superficie del sistema de espuma y adelgaza el espesor de la pared de la burbuja, lo que hace que el sistema de espuma sea inestable; las burbujas ya formadas pueden continuar expandiéndose, ya sea fusionándose, o colapsando o rompiéndose. La aparición de estos fenómenos depende principalmente de las condiciones en las que se encuentren las burbujas. Durante el proceso de moldeo de espuma, para controlar el aumento de poros y estabilizarlos, se pueden tomar las siguientes medidas:
- Utilice polímeros, agentes espumantes y otros agentes compuestos adecuados.
- Controle la tensión superficial, la viscosidad y el módulo elástico del material controlando la temperatura del proceso y el tiempo en cada rango de temperatura. Cuando los poros aumentan hasta cierto punto, el enfriamiento oportuno hará que la viscosidad y el módulo elástico del material espumado sean más altos y la fluidez será peor, lo que dificultará que los poros se muevan, se fusionen y se estabilicen.
- Para caucho y plásticos termoendurecibles, la velocidad de reticulación se puede controlar. Cuando los poros en el material aumentan hasta cierto punto, el grado de reticulación se alcanzará lo suficientemente alto con el tiempo, lo que aumentará en gran medida la viscosidad, reducirá la fluidez y estabilizará los poros.
- Para algunos plásticos termoplásticos, es conveniente agregar algunos surfactantes (como aceite de silicona) para reducir la tensión interfacial entre la resina y los poros, lo que también es beneficioso para estabilizar los poros.
Equipo de moldeo de espuma
Existen dos tipos de equipos de moldeo de espuma: máquinas de moldeo y cilindros de vapor. Para la producción en masa, las formas de espuma medianas y grandes se forman principalmente mediante máquinas de moldeo; para lotes de producción pequeños y medianos y formas pequeñas, se pueden utilizar cilindros de vapor.
1. Las máquinas de moldeo se dividen en máquinas de moldeo verticales y máquinas de moldeo horizontales según la dirección de apertura del molde, como se muestra en la Figura 1.
El método de apertura del molde de la máquina de moldeo vertical es la división horizontal, y el molde se divide en un molde superior (molde móvil) y un molde inferior (molde fijo). Sus características son:
- El molde es fácil de desmontar e instalar;
- Es conveniente colocar bloques sueltos e insertos en el molde;
- Fácil de tomar el molde manualmente;
- Ocupa poco espacio. Las máquinas de moldeo verticales están disponibles en modelos con control simple y automático.
El método de apertura del molde de la máquina de moldeo horizontal es de división vertical, y el molde se divide en un molde izquierdo (molde fijo) y un molde derecho (molde móvil). Sus características son:
- El espacio superior e inferior en la parte delantera y trasera del molde es amplio, y se puede instalar un mecanismo neumático de extracción de núcleo para facilitar la producción de patrones de espuma complejos con múltiples estructuras de extracción de núcleo;
- El agua y el aire en el molde se descargan suavemente, lo que favorece la deshidratación y el secado del patrón de espuma;
- Alta eficiencia de producción y fácil implementación de control computacional totalmente automático;
- La estructura es más compleja y el precio es más alto.
2. El dispositivo de formación de cilindros a vapor manual tiene dos tipos: separado y horizontal. Tiene una estructura simple, una inversión baja y puede fabricarse por uno mismo. El proceso de moldeo lo controlan los trabajadores, pero la intensidad de mano de obra del moldeo es relativamente alta.
También hay dos tipos de vaporizadores mecánicos: verticales y horizontales. El cilindro de vapor mecánico vertical se puede transformar en una máquina de formación vertical. Es colocar varios moldes en el banco de trabajo, luego cerrar el cilindro de vapor; iniciar el programa de control para completar el calentamiento, enfriamiento por pulverización de agua y otros procesos; abrir el cilindro de vapor, retirar manualmente los moldes y sacar el patrón. En comparación con el moldeo por una máquina de moldeo, el vapor calienta el molde de afuera hacia adentro, lo que dificulta la formación de un flujo de vapor que penetre en el patrón de espuma. El agua de condensación se genera fácilmente en el centro de la sección gruesa, lo que afecta la fusión de las perlas. Por lo tanto, el tiempo de formación de espuma es mucho más largo que el de una máquina de moldeo con cámara de aire, y solo se utiliza para la producción de patrones pequeños y bebederos.
