Unità di nucleazione per linee di produzione di pannelli sandwich continui
Il concetto POFI-Engineering
La schiuma poliuretanica è principalmente un assemblaggio di plastica cellulare. Le proprietà di questa matrice dipendono principalmente da due fattori:
struttura
e composizione. La struttura cellulare si ottiene attraverso l’azione di agenti espandenti. Più fine e omogenea è la struttura, migliori sono le proprietà meccaniche della schiuma poliuretanica. Anche la composizione chimica gioca un ruolo significativo nella sua resistenza meccanica. Una miscela stechiometricamente omogenea conferisce alla schiuma poliuretanica le sue proprietà meccaniche ottimali. La nucleazione (aria, azoto o CO₂) è un processo di espansione meccanica ancora poco utilizzato. Quando si utilizzano agenti fisici per formare le cellule, la fase gassosa della plastica cellulare è chimicamente identica a quella dell’agente espandente. Questa tecnica ha incontrato difficoltà di implementazione, recentemente risolte aggiungendo la miscibilità dei gas in un liquido tramite una serie di variazioni di pressione combinate con un sistema di miscelazione e omogeneizzazione ad alte prestazioni.
Effetti diretti della nucleazione:
Azione sulla composizione chimica:
Il principio della nucleazione consiste nell’affinare la struttura cellulare della schiuma attraverso una serie di azioni combinate svolte sul Polymix (miscela di poliolo e additivi). Una migliore miscelazione del poliolo con i suoi additivi e l’integrazione dell’aria in particelle molto fini ne aumentano la reattività, migliorando considerevolmente la qualità della miscela isocianato/poliolo e ottimizzando quindi la stechiometria della reazione. Questa funzione consente quindi una migliore reticolazione, che migliora le caratteristiche meccaniche della schiuma poliuretanica. È quindi possibile ridurre la quantità di catalizzatore necessaria per la reazione.
Azione sulla struttura cellulare:
La resistenza della struttura della matrice dipende anche dalla finezza delle bolle e dalla loro distribuzione omogenea. La nucleazione, per sua natura, combina diverse azioni fisiche che causano la rottura delle bolle in particelle molto fini e precise, migliorando così notevolmente la struttura della matrice.
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Importanza della nucleazione dell’aria nella schiuma rigida:
La produzione di schiuma poliuretanica rigida richiede due componenti liquidi principali: un poliisocianato e un POLYMIX (poliolo e agente espandente). L’agente espandente viene tipicamente aggiunto al poliolo insieme ad altri componenti ausiliari, come attivatori (acceleratori di reazione), stabilizzanti della schiuma e ritardanti di fiamma. La reazione avviene quando i due componenti vengono miscelati. Durante la reazione, viene rilasciata una notevole quantità di calore che viene utilizzata per evaporare gli agenti espandenti presenti nel poliolo. Questa evaporazione, combinata con la reazione chimica, forma la schiuma. L’acqua viene normalmente aggiunta al poliolo in quantità variabili. L’acqua reagisce con l’isocianato per formare poliurea e anidride carbonica, che funge da agente espandente. Come agente espandente primario, una certa quantità d’aria è inclusa nel Polymix. Infatti, la reazione di polimerizzazione produce poliuretano solido, ed è attraverso la formazione di bolle di gas all’interno della miscela di polimerizzazione, spesso chiamata “blowout”, che si ottiene la schiuma. Le singole celle della schiuma sono isolate l’una dall’altra da sottili pareti polimeriche, che impediscono efficacemente il flusso di gas attraverso la schiuma. Questi materiali offrono una buona resistenza strutturale in rapporto al loro peso, combinata con eccellenti proprietà di isolamento termico. Le celle contengono una miscela di gas e, a seconda della loro natura, le dimensioni e le proporzioni delle schiume presentano diverse conduttività termiche. Per mantenere le prestazioni a lungo termine, è necessario che i gas a bassa conduttività termica rimangano all’interno delle celle; pertanto, oltre il 90% delle celle deve essere chiuso.
Questo dimostra che una buona schiuma è il risultato di due componenti: struttura e composizione.
La composizione è sviluppata dal fornitore della materia prima. Ci concentreremo sul componente meccanico, la matrice della schiuma.
Esistono diverse teorie sullo sviluppo della schiuma. La maggior parte si basa sulla nucleazione durante la fase di sviluppo. Sembra che tutte le celle presenti nella schiuma finita siano già presenti nella fase iniziale di sviluppo, quando le materie prime vengono miscelate nella testa di miscelazione; la reazione innesca la comparsa di bolle d’aria nucleanti presenti nel Polymix. Le bolle di gas disperse crescono a causa dell’espansione del gas stesso. Questo processo continua finché le celle sferiche non si compattano ulteriormente nella matrice liquida. Quando le celle sferiche sono a contatto tra loro, si trasformano in celle poliedriche. La schiuma raggiunge la sua struttura finale e una buona distribuzione della massa al termine del tempo di formazione del filo.
Più omogenea e fine è la struttura, migliori sono le proprietà meccaniche e isolanti della schiuma poliuretanica.
Oggi, i vantaggi della nucleazione ad aria sono ancora raramente utilizzati per l’espansione meccanica, con una percentuale d’aria compresa tra l’8 e il 12% circa nel Polymix. Quando si utilizzano agenti fisici per formare le celle, la fase gassosa della plastica espansa è chimicamente identica a quella dell’agente espandente. Questa tecnica ha incontrato difficoltà di implementazione, recentemente risolte aggiungendo la funzione di miscibilità dei gas in un liquido tramite una serie di variazioni di pressione associate a un sistema di miscelazione e omogeneizzazione ad alte prestazioni. Con questo sistema è possibile aggiungere una quantità di nucleazione ad aria pari a circa il 65% senza cavitazione della pompa ad alta pressione; il risultato è una matrice più regolare e una schiuma più omogenea.
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