Otimização do processo de produção de espumas flexíveis de poliuretano em bloco: comportamento térmico

Abstract

As exigências na indústria automóvel em matéria de segurança, de desempenho e de ambiente são crescentes, pelo que a indústria das espumas flexíveis de poliuretano tem investido e desenvolvido tecnologias e processos diferenciadores com o intuito de responder a essas exigências. Apesar disso, desconhecem-se ainda em detalhe: (i) os mecanismos envolvidos na degradação térmica e hidrolítica; (ii) todos os fundamentos que justificam a aderência da espuma ao tecido durante o processo de laminação à chama. Este trabalho incidiu sobre estas questões. Quanto à durabilidade das espumas, pretendeu-se otimizar duas formulações de base poliéter e uma de base poliéster, pela alteração individual da natureza e quantidade de certos componentes, para minimizar os efeitos de envelhecimentos acelerados (testes de desempenho aplicados às espumas flexíveis de poliuretano). As espumas foram submetidas a dois métodos de envelhecimento húmido e a um de envelhecimento seco. Nas espumas poliéter, em envelhecimento seco, o nível e a proporção de isómeros de isocianato e a quantidade de estireno de acrilonitrilo (SAN) têm impacto significativo. Nos envelhecimentos húmidos, a utilização de aditivos e a quantidade de SAN são os componentes com maior impacto. Nas espumas poliéster, a utilização de ignifugantes é o fator mais relevante. Para esclarecer quais os fenómenos químicos e físicos envolvidos na deterioração das espumas recorreu-se a técnicas de caracterização química e estrutural. Foi ainda realizado um envelhecimento seco sob atmosfera de azoto. A termo-oxidação dos segmentos flexíveis será a principal via reacional pela qual ocorre a alteração da tração à rutura e da cor da espuma. As alterações provocadas pela organização dos segmentos rígidos serão a principal via de diminuição da dureza. Com o planeamento de experiências estudou-se variações de diferentes componentes em simultâneo. O conhecimento obtido permitiu desenvolver e aprovar espumas de base poliéter e poliéster nas OEM Daimler, GM e VW. No estudo da tecnologia de laminação à chama, partiu-se de duas formulações, uma à base de poliéter e outra à base de poliéster, de igual massa específica. À referência poliéter foram impostas algumas variações de formulação. As espumas poliéster evidenciaram um melhor comportamento no processo de laminação à chama do que as poliéter, nas quais é necessário adequar a formulação para uma melhoria de resultados. O principal mecanismo de aderência será a despolimerização e repolimerização através da ligação uretano. A estabilidade térmica, a viscosidade e a afinidade química entre o resíduo viscoso e o tecido são aspetos fundamentais na aderência; a estrutura e a tensão superficial do tecido têm também um contributo importante. Foi feita uma caracterização química e estrutural das amostras selecionadas para esclarecimento dos fenómenos térmicos envolvidos no processo de laminação à chama. Para aumentar o conhecimento sobre o processo, recorreu-se à otimização de parâmetros de máquina através do planeamento de experiências. O conhecimento obtido no âmbito da laminação à chama permitiu a melhoria significativa de várias espumas de base poliéter e foi fundamental para um suporte técnico adequado aos clientes.

The safety, performance and environmental demands of the automotive industry are increasing, so the flexible polyurethane foam industry has invested and developed differentiating technologies and processes to meet these requirements. Despite this, the following aspects are still unknown in detail: (i) the mechanisms involved in thermal and hydrolytic degradation; (ii) all the fundamentals that justify the adhesion of the foam to the fabric during the flame lamination process. This work focused on these issues. Regarding the durability of the foams, it was intended to optimize two formulations of polyether base and one of polyester base, by changing, individually, the nature and quantity of certain components, in order to minimize the effects of accelerated aging (performance tests applied to flexible polyurethane foams). The foams were subjected to two methods of humid aging and one of dry aging. Concerning the dry aging of polyether foams, the level and proportion of isocyanate isomers and the amount of SAN have a significant impact. In humid aging, the use of additives and the amount of SAN are the components with the greatest impact. In polyester foams, the use of flame retardants is the most relevant factor. To clarify the chemical and physical phenomena involved in the deterioration of the foams, chemical and structural characterization techniques were used. Dry aging was further performed under a nitrogen atmosphere. The thermal oxidation of the flexible segments should be the main reaction pathway by which the changes in traction and color of the foam occur. The changes caused by the organization of the hard segments should be the main way of decreasing hardness. With design of experiments, different component variations were studied simultaneously. The knowledge obtained allowed the development and approval of polyether and polyester based foams in Daimler, GM and VW OEMs. In the study of the flame lamination technology, two formulations of the same specific mass, one based on polyether and the other based on polyester, were used. Some formulation variations were imposed to the polyether reference. Polyester foams showed a better behaviour in the flame lamination process than polyether foams, in which is necessary to adjust the formulation for improved results. The main adhesion mechanism will be depolymerization and repolymerization through the urethane bond. The thermal stability, viscosity and chemical affinity between the viscous residue and the fabric are fundamental aspects in adhesion; the structure and the surface tension of the fabric also have an important contribution. A chemical and structural characterization of the selected samples was made to clarify the thermal phenomena involved in the flame lamination process. To increase knowledge about the process, machine parameter optimization through design of experiments was carried out. The knowledge obtained in the field of flame lamination allowed the significant improvement of several polyether based foams and was fundamental for an adequate technical support to the customers.