Järgmistes osades selgitatakse polüuretaanvahu viskoelastset arengut etappide kaupa, ühendades reaktsioonimehhanismid, vaadeldavad nähtused ja praktilised tootmiskaalutlused.

1. Põhimõisted

1. Viskoossus

Viskoossus näitab materjali voolavustakistust ja peegeldab selle viskoosset käitumist. Suurem viskoossus tähendab halvemat voolavust.

2. Elastsus

Elastsus viitab materjali võimele pärast deformatsiooni taastada oma algne kuju. Suurem elastsus tagab parema vastupidavuse deformatsioonile ja vahu kokkuvarisemisele.

3. Geelipunkt

Geelitumispunkt on kriitiline üleminek, kus süsteem muutub voolavast vedelikust mittevoolavaks tahkeks võrgustikuks. See on vahustumisprotsessi kõige olulisem jagunemispunkt.

4. Üldine trend

Vahustumise ajal viskoossus pidevalt suureneb, samal ajal kui elastsus areneb järk-järgult väga nõrgast domineeriva tasemeni. Pärast geelistumist saab elastsusest süsteemi juhtiv omadus.

2. Viskoelastne evolutsioon vahustamisetapi teel

1. etapp: Esialgne segamisetapp (induktsiooniperiood enne kreemitamise aega)

Riik

Polüool, isotsüanaat ja lisandid on just segatud. Keemilised reaktsioonid toimuvad aeglaselt, gaasi teke on minimaalne ja süsteem jääb homogeenseks vedelikuks.

Viskoelastsed omadused

• Madal viskoossus ja suurepärane voolavus.
• Praktiliselt puudub elastsus.
• Välise jõu mõjul voolab materjal vabalt ja deformatsioon on pöördumatu.

Muutuse põhjus

Molekulaarsed ahelad ei ole veel moodustanud olulisi ristsidemeid. NCO-OH reaktsioonikiirus on endiselt madal ja polümeervõrgustikku pole tekkinud.

Tootmise vaatlus

Segu on läbipaistev või ainult kergelt piimjas ja voolab vabalt.

2. etapp: kreemi etapp (vahustumise algus)

Riik

Reaktsioonikiirus kiireneb. Vesi reageerib isotsüanaadiga, tekitades märkimisväärse koguse CO₂. Süsteem muutub valgeks, tekivad väikesed mullid ja algab esialgne paisumine.

Viskoelastsed omadused

• Viskoossus suureneb kiiresti oligomeeride ja pikemate molekulaarahelate moodustumisel.
• Nõrk elastsus hakkab ilmnema esialgsete ahelaühenduste moodustumise tõttu.
• Süsteem jääb valdavalt viskoosseks ning voolab ja venib jätkuvalt.

Põhifunktsioon

Mullid tekivad ja kasvavad pidevalt. Süsteem tugineb gaasimullide kapseldamisel ja gaasi väljapääsu takistamisel peamiselt oma viskoossusele.

3. etapp: tõusufaas (intensiivne vahutamisperiood enne geeli moodustumist)

Riik

Reaktsioonikiirused saavutavad haripunkti. Tekib suur kogus gaasi, vahu maht suureneb kiiresti ja rakud kasvavad kiiresti. See on vahu moodustumise kõige kriitilisem etapp.

Viskoelastsed omadused

• Viskoossus suureneb jätkuvalt järsult.
• Voolavus väheneb märkimisväärselt.
• Ristsidumisreaktsioonid intensiivistuvad, põhjustades elastsuse kiiret suurenemist.
• Viskoelastne käitumine muutub selgemaks, nihkudes järk-järgult elastse domineerimise suunas.
• Materjal arendab tõmbetugevust ja vastupidavust kokkuvarisemisele.

Venitamisel vaht deformeerub, kuid pärast jõu eemaldamist taastub see osaliselt. Kasvavad mullid jäävad maatriksi sees efektiivselt stabiliseerituks.

Protsessi tagajärjed

• Kui elastsus on ebapiisav ja viskoossus domineerib, võivad mullid lõhkeda, ühineda või kokku variseda.
• Kui elastsus tekib liiga vara või liiga tugevalt, siis vahu paisumine on piiratud, mille tulemuseks on suurem lõpptihedus.

4. etapp: geelipunkt (kriitiline üleminekuetapp)

Riik

Põhimõtteliselt on loodud kolmemõõtmeline ristseotud võrgustik. Vahustumine ja geelistumine saavutavad tasakaalu, muutes selle kogu protsessi kõige kriitilisemaks punktiks.

Viskoelastne transformatsioon

• Süsteem kaotab oma voolamisvõime.
• Näiv viskoossus läheneb lõpmatusele.
• Elastsusest saab domineeriv omadus.
• Deformatsioon muutub peamiselt elastseks, taastudes pärast kokkusurumist või venitamist kiiresti.
• Rakkude struktuurid fikseeruvad püsivalt, kui rakuseinad tahkuvad.

Tootmise olulisus

• Liiga varane geelistumine võib põhjustada mittetäielikku paisumist ja suurt vahutihedust.
• Liiga hilja tekkiv geelistumine võib põhjustada gaasikaotust, vahu kokkutõmbumist ja kokkuvarisemist.

5. etapp: Kõvenemis- ja küpsemisfaas (pärast geelistumist)

Riik

Ülejäänud reaktiivsed rühmad jätkavad reageerimist, tugevdades ristseotud võrgustikku veelgi. Vahtmaterjali paisumine lakkab ja materjal kõveneb järk-järgult.

Viskoelastsed omadused

• Ristsidemete tihedus kasvab jätkuvalt.
• Jäikus suureneb järk-järgult.
• Elastsus stabiliseerub.

Paindliku vahu jaoks:

• Kõrge elastsus säilib.
• Säilib hea vastupidavus ja sitkus.

Jäiga vahu puhul:

• Elastsus väheneb.
• Materjal läheb üle jäigale tahkele olekule.
• Deformatsioon muutub pigem plastseks kui elastseks.

Algselt esinevad sisemised jääkpinged, mis kõvenemise ajal järk-järgult vabanevad, võimaldades viskoelastsete omaduste stabiliseerumist.

Hilisemad muudatused

Pärast piisavat kõvenemist toatemperatuuril on ristseostumine praktiliselt täielik ning mehaanilised ja viskoelastsed omadused jäävad suhteliselt stabiilseks.

3. Viskoelastset käitumist mõjutavad peamised tegurid

1. Katalüsaatorid (kõige olulisem kontrolltegur)

Puhuvad katalüsaatorid

• Kiirendage gaasi teket.
• Edendab varasemat viskoossuse teket.
• Lase vahu paisumisel kiiremini toimuda.

Geelkatalüsaatorid

• Kiirendada ristseostumise reaktsioone.
• Looge elastne võrk varem.
• Lühendada geelistumisaega.

Katalüsaatori tasakaalustamatus

Vale tasakaal puhumis- ja geelkatalüsaatorite vahel rikub vahustumise ja geelistumise vastavust, moonutab viskoelastset profiili ning võib põhjustada vahu kokkuvarisemist, kokkutõmbumist või jämedate rakustruktuuride teket.

2. Tooraine temperatuur

Kõrgem temperatuur

• Kiirendab üldist reaktsioonikiirust.
• Suurendab viskoossuse ja elastsuse arengu kiirust.
• Põhjustab varasemat geelistumist.

Madalam temperatuur

• Aeglustab reaktsioonikiirust.
• See suurendab viskoelastseid omadusi järk-järgult.
• Aeglustab geeli moodustumist ja suurendab gaaside kadumise ohtu.

3. NCO indeks (isotsüanaadi indeks)

Kõrge allohvitseride indeks

• Edendab tugevamat ristseotust.
• Suurendab elastsust ja jäikust kiiremini.
• Tekitab haprama vahu.

Madal NCO indeks

• Tulemuseks on ebapiisav ristseostumine.
• Viib nõrgema elastsuse ja suurema jääkviskoossuseni.
• Toodab pehmema vahu, millel on suurem deformatsioon ja halvem taastumine.

4. Pindaktiivsed ained ja täiteained

Silikoonist pindaktiivsed ained

• Parandada faasidevahelise pinge kontrolli.
• Edendab ühtlast viskoelastset jaotumist kogu vahukihis.
• Väldib ebaühtlaseid rakustruktuure, mis on põhjustatud lokaalsest viskoossusest või elastsusest.

Anorgaanilised täiteained

• Suurendage süsteemi algset viskoossust.
• Vähendage elastsust.
• Muutke vahtstruktuur üldiselt jäigemaks.

5. Polüooli struktuur

Kõrge funktsionaalsusega polüoolid

• Moodustavad tihedaid ristseotud võrgustikke kergemini.
• Suurendage kiiresti elastsust ja jäikust.

Suure molekulmassiga, pika ahelaga polüoolid

• Toota järkjärgulisem ristseostamise protsess.
• Loo pehmem elastne käitumine.
• Säilitage viskoossus pikema aja jooksul.
• On iseloomulikud painduvatele vahukompositsioonidele.

4. Kokkuvõte: Üldine viskoelastsussuundumus vahutamise ajal

Sisuliselt on kogu vahustumisprotsess reoloogiline transformatsioon, mille käigus süsteem areneb a-stpuhtalt viskoosne vedeliksisse akolmemõõtmeline ristseotud elastomeerne võrgustik.

Tasakaalvahu paisumine ja geelistumine, mida peegeldavad süsteemi muutuvad viskoelastsed omadused, määrab otseselt vahu lõpliku struktuuri, mõõtmete stabiilsuse ja toote üldise kvaliteedi.