Comportamento de espumas de poliuretano no processo de colagem à chama

Abstract

Na preparação de materiais laminares tecido/espuma de poliuretano, a adesão entre estes durante o processo de colagem à chama, é um parâmetro crítico para a eficiência do processo e a qualidade do produto. De um modo geral, o desempenho de espumas de poliuretano (PU) à base de polióis de poliéster é superior ao das espumas preparadas a partir de polióis de poliéter. Todavia, o mercado prefere o segundo tipo de PUs, devido à sua maior resistência à hidrólise, pelo que é fundamental procurar uma solução eficiente para melhorar o comportamento destas no processo de colagem à chama. Nesse sentido, procedeu-se ao estudo do comportamento de três tipos de PU, no processo de colagem à chama: (i) PU à base de poliól poliéster (PU-poliéster). (ii) PU à base de poliól poliéter (PU-poliéter) e (iii) PU à base de poliól poliéter com um aditivo usado para promover a adesão (PU-poliéter/aditivo). Na primeira fase deste trabalho procedeu-se ao estudo das espumas e dos seus principais constituintes por espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) e por análise termogravimétrica (TGA), de modo a caracterizar os componentes dos materiais laminares (espuma/tecido) que foram analisados numa fase seguinte. Os resultados obtidos foram coerentes com a informação disponível na literatura para este tipo de materiais. A análise por FT-IR não permitiu identificar diferenças significativas entre as amostras, à excepção da banda correspondente ao grupo éster. Porém, a TGA permitiu identificar diferenças significativas entre as espumas. Para a espuma PU-poliéster a decomposição dos segmentos de poliól ocorre a uma temperatura superior e a perda de massa é menos abrupta, o que poderá estar associado à melhor adesão entre a espuma e o tecido durante o processo de colagem à chama. Na segunda fase deste trabalho foram estudadas amostras dos produtos laminares analisando por FT-IR e por TGA a superfície que esteve em contacto com a chama, bem como o resíduo formado, durante a colagem de espumas PU-poliéster. Os resultados obtidos para as espumas retiradas dos materiais laminares foram muito semelhantes aos obtidos na primeira fase do trabalho, para as espumas correspondentes, sugerindo a ocorrência de uma reacção de despolimerização reversível. A análise de FT-IR do resíduo revelou a presença do grupo isocianato, o que poderá estar associado à melhor aderência deste tipo de PUs durante o processo de colagem. O estudo dos materiais laminares incluiu ainda alguns testes de solubilidade e um balanço material ao processo para o caso da espuma PUpoliéster, que correspondeu a uma perda de massa de 3%. Por último, foi implementada uma metodologia com vista ao estudo cinético da decomposição térmica das espumas, por TGA em atmosfera de oxigénio. Utilizando o modelo de Freeman-Carroll, as energias de activação para as espumas PU-poliéter e PU-poliéter/aditivo foram E 184,70 kJ/mol e E 149,24 kJ/mol, respectivamente. Quanto à espuma de PU-poliéster o valor de Ea associada à decomposição dos segmentos rígidos foi de 167,08 kJ/mol e Ea associada à decomposição dos segmentos de poliól foi de 129,64 kJ/mol, os quais estão dentro da ordem de grandeza dos valores disponíveis na literatura.

In the production of fabric/ polyurethanes foam laminates adhesion between these materials during flame lamination is a critical parameter for the efficiency of the process and product quality. In general, the performance of polyurethane foams (PU), based on polyester polyols is higher than that of foams prepared from polyether polyols. However, the market prefers the second type of PU because of its greater resistance towards hydrolysis therefore it is essential to seek an efficient solution to improve their behaviour during the lamination process. With that in mind, the behavior of three types of PU, during the flame lamination process, was studied: (i) Polyester-polyurethane (Polyester-PU). (ii) Polyether-polyurethane (Polyether-PU) and (iii) Polyether-polyurethane with an additive used to enhance adhesion between the materials (Polyether/additive-PU). In the first part of this study, the foams and their main constituents were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR) and thermo gravimetric analysis (TGA), to characterize the components of the laminar materials (foam/fabric) which were subsequently investigated. The results were consistent with information available in the literature for this type of materials. FT-IR analyses did not show any significant differences between the samples, other than the band corresponding to the ester group. TGA analyses however, have shown significant differences between the two types of foams with the polyol segments of polyester-PU foam decomposing at a higher temperature and at a more gradual rate. This may be associated with the better adhesion of the foam to the fabric obtained during the flame lamination process. In the second part of this work the laminate products were studied. Using FT-IR and TGA, the top layer of the foam that was in contact with flame, and the residue of PU-polyester formed in the process were analyzed. The results obtained for the material removed from the laminate product were very similar to those obtained in the first part of this work for the corresponding foams. This suggests the occurrence of a reversible reaction of depolymerization. Furthermore, the FT-IR spectrum of the residue revealed the presence of the isocyanate group on the surface of polyester- PU foam which is consistent with the best adhesion to the fabric achieved with this type of PU during the lamination process. The study of these laminar materials has also included some solubility tests and a mass balance to the process, resulting in a mass loss of 3%. Finally, a methodology was implemented to study the kinetics of the thermal degradation of PU foams, by TGA under O2 atmosphere. The values of the activation energy were obtained using the Freeman-Carroll model. For polyether-PU foam and polyether-PU foam with additive they were 184,70 kJ/mol and 149,24 kJ/mol, respectively. For polyester-PU foam the Ea associated with the hard segments was 167,08 kJ/mol and the Ea associated with soft segments was 129,64 kJ/mol.