Công nghệ Polyurethane

Hóa chất tổng hợp Polyurethane 

Monomer chính để tổng hợp Polyurethane: 

Polyurethane hình thanh do phản ứng giữa isocyanates và polyol. 

Isocyanate: Trong thương mại có những loại isocyanates phổ biến sau: 

TDI: toluenediisocyanate 

MDI: diphenylmethane diisocyanate 

NDI: naphthalene diisocyanate 

HDI : aliphatic isocyanate is hexamethylene diisocyanate 

IPDI: isophorone diisocyanate 

HMDI : hydrogenated MDI 

Một số loại triisocyanates, như là triphenylmethane triisocyanate, dùng trong sơn và keo. 

Trên thị trường dùng phổ biến nhất là TDI và MDI: 

TDI trên thị trường sử dụng là hỗn hợp của hai đồng phân: 2,4-TDI và 2,6-TDI với tỷ lệ 80:20 (gọi là TDI 80) hay 65:35 (TDI 65). 

tdi 

TDI là dạng lỏng ở nhiệt độ phòng, chủ yếu sử dụng cho mút mềm (flexible foam: làm nệm, ghế..) 

MDI tinh khiết là dạng rắn ở nhiệt độ phòng (điểm chảy 39,5oC). 

mdi 

Trong quá trình sản xuất MDI thường hình thành hỗn hợp đồng phân nên thường gọi là MDI thô. 

MDI thô sử dụng chủ yếu để tạo mút cứng (rigid foam) và một phần cho mút mềm. Trong khi MDI tinh khiết dùng tạo những vật liệu đàn hồi (thermoplastic elastomer: bánh xe, gioăng phớt…) 

Vật liệu PU đàn hồi còn được làm từ paraphenylene diisocyanates rất hoàn hảo. Tuy nhiên nguyên liệu này được sử dụng khá hạn chế do giá thành rất cao. 

para 

Polyol: Là các oligomer hay các polymer chứa ít nhất hai nhóm hydroxyl (-OH). 

Các loại polyol được dùng phổ biến: 

PPO: polypropylene oxide, hay còn gọi là PPG (polypropylene glycols, polyethylene glycols) 

PTHF: polytetrahydrofurane 

……… 

Xúc tác: Xúc tác thường là các loại amin, muối thiếc… Có loại xúc tác làm nhanh, cũng có loại dùng để điều chỉnh chậm phản ứng đối với mút đổ khuôn. 

Qúa trình tạo Polyurethane 

Mút và dạng pu đàn hồi (elastomer) được làm từ những thành phần lỏng. Do đó phần quan trọng trong quá trình tạo polyurethane đó là thiết bị khuấy trộn. Thiết bị này gồm có các thùng chứa, bộ chỉnh lưu lượng và đầu trộn. 

Qúa trình của mút đổ khuôn hay elastomer bao gồm bơm các thành phần ở tỷ lệ cho trước (metering) lên đầu trộn, ở đây chúng sẽ được trộn đều với nhau và đổ vào khuôn hoặc băng tải (sản xuất mút khối mềm). Chất lỏng polyol có độ nhớt cao hơn, có thể lên đến 20 000mPas (cP). Trái tim của hệ thống là đầu trộn. Cơ bản hiện nay có hai loại đầu trộn: đầu trộn áp suất cao và đầu trộn áp suất thấp. Đầu trộn áp thấp khuấy các thành phần hóa chất bằng cơ học (dùng cánh khuấy). Ưu điểm của thiết bị này là giá thành thấp hơn. Thiết bị thường được dùng cho những sản phẩm nhỏ, ngoài ra thiết bị còn cho phép khoảng độ nhớt của hóa chất khá rộng. Kết thúc quá trình phun, cần phải sử dụng dung môi để rửa đầu trộn. Nếu độ nhớt của polyol sử dụng không lớn hơn 2000mPas khi đó có thể sử dụng thiết bị áp suất cao với công nghệ “khuấy trộn va chạm” (impingement mixing). Tất nhiên độ nhớt có thể điều chỉnh được bằng nhiệt độ. Với thiết bị áp suất cao này, hai hay nhiều thành phần được bơm vào buồng trộn ở tốc độ cao, ở đó chúng va chạm hỗn loạn vào nhau. Ưu điểm của thiết bị này là chúng cho phép định chuẩn (tỷ lệ phối trộn) chính xác, quá trình thực hiện rất nhanh, giảm thiểu hao phí và không cần dùng dung môi rửa sau khi phun. Hiên nay thiết bị áp suất cao đang thống lĩnh thị trường.

 Các công nghệ khuấy trộn polyurethane:

Cách trộn Polyurethane bằng tay: 

Về nguyên tắc hoàn toàn có thể khuấy trộn tạo polyurethanes bằng tay (dùng một mô tơ nhỏ (máy khoan) gắn thêm cánh khuấy vừa phải trên đầu để trộn cho đều). Cách làm rất đơn giản, cân chính xác hai hóa chất, polyol (màu trắng sữa) và isocyanate (màu đỏ) vào hai cái ca nhỏ theo đúng tỷ lệ mong muốn (ví dụ mút cứng tỷ lệ I:/P 1:1 hay 1,2:1; mút mềm I:P khoảng 50:100 – 80/100 tùy vào hóa chất cho phép). Dùng mô tơ nhúng khuấy vào ca đựng polyol sau đó đổ isocyanate vào. Khuấy đều khoảng 3-4 giây rồi đổ vào khuôn, dùng cái muỗng lớn để vét nhanh lượng hóa chất dính trong ca vào khuôn, đóng nhanh nắp khuôn trước khi quá trình nở mút xảy ra (đóng nắp khi hóa chất còn lỏng, sệt) 

Tùy hóa chất mà có thể mở khuôn nhanh hay chậm, thông thường cho mút mềm khoảng 8 – 10 phút. 

Trên đây là cách đổ tay cho vào khuôn kín. Trường hợp đổ mút khối cách làm cũng tương tự, nhưng do lượng hóa chất nhiều hơn nên thay vì dùng ca phải dùng xô lớn để trộn hóa chất, chất xúc tác, chất trợ nở (Blow agent) và đôi khi trộn thêm cả bột đá. Sau khi trộn đều polyurethane được đổ vào khuôn hở (không có nắp, đôi khi dùng tấp gỗ ép đặt lên mặt để khối mút đều), cho Ưu nhược điểm của cách làm này: 

Khuấy tay phù hợp cho quy mô sản xuất nhỏ lẻ, ko chú ý đến thương hiệu và chất lượng do chất lượng mút không cao, và chấp nhận thất thoát hóa chất lớn do bị dính, do trộn không đều và khả năng sản phẩm bị hư lớn do mút co rút, mút bị kéo không có khả năng cách nhiệt (mút cứng) không có khả năng đàn hồi (mút mềm). 

Với quy mô sản xuất hàng loạt thì đầu tư một máy khuấy trộn là tốt nhất, vừa đảm bảo chất lượng sản phẩm, vừa tiết kiệm nguyên liệu và đảm bảo ít xảy ra sản phẩm lỗi. Đôi khi hóa chất tiết kiệm 1 năm bằng giá trị đầu tư vài cái máy, chưa tính tới sản phẩm chất lượng được ưa chuộng nhờ trộn bằng máy, đem lại nhiều hợp đồng giá trị kinh tế lớn, cạnh tranh với các đối thủ.

Khuấy trộn PU bằng máy: 

- Máy áp thấp: 

Máy áp suất thấp, bơm hóa chất polyol và isocyanate ở áp suất thấp lên đầu trộn, dùng cánh khuấy để khuấy trộn hóa chất. Sau khi phun xong phải dùng nước rửa (MC-Methylclorua) để rửa cánh khuấy. Tất cả những thao tác đó, đối với một máy tốt chỉ là những nút bấm và bạn chỉ phải nhẹ nhàng bấm một vài nút trên bảng điều khiển để máy tự làm tất cả. 

Một thiết bị phun xốp áp thấp tốt phải đáp ứng những yêu cầu tối quan trọng sau: 

- Đầu trộn tốt, giúp khuấy trộn đều hóa chất cho ra mút (foam) tốt, các tế bào mút đều trên toàn bộ sản phẩm mút. 

- Hệ thống bơm tốt, giúp đảm bảo bơm định lượng đúng tỷ lệ hóa chất I:P đã đặt, ngoài ra nó còn giúp bơm đúng lượng hóa chất cần cho sản phẩm sau cùng. Bơm ít bị hỏng hóc, bảo trì. 

- Hệ thống điều khiển dễ dàng, giúp thao tác vận hành nhanh chóng, cài đặt các thông số đơn giản. 

Ngoài các yếu tố trên thì một máy phun ấp thấp cao cấp thường dùng bộ điều khiển cảm ứng, máy có thể điều chỉnh nhiệt độ hóa chất tùy theo mỗi loại hóa chất yêu cầu. Có khả năng thông báo các lỗi hay gặp phải (ví dụ hết hóa chất, hết nước rửa hay các lỗi khác mà một máy bình thường không thể báo) giúp quá trình sản xuất an toàn, hiệu quả. 

Máy áp thấp tốt cho phép đặt nhiều tỷ lệ hóa chất khác nhau, cho ra loại mút cứng (rigid) hay mềm (flexible) hay bán cứng (semirigid) hoặc dạng đàn hồi (elastomer) tùy theo ứng dụng. 

Ưu nhược điểm: 

Ưu điểm của thiết bị áp thấp là cho phép đặt được nhiều tỷ lệ hóa chất khác nhau cho nhiều ứng khác nhau. Đổ đúng lượng hóa chất cần dùng cho từng sản phẩm (ví dụ cần đổ 8 kg hóa chất cho sản phẩm nào đó thì chỉ cần đặt và nhấn nút máy sẽ đổ ra đúng số kg đó, rất nhanh chóng, đảm bảo mút nở đều)… 

Mút đều tốt do khuấy trộn tốt. 

Nhược điểm là phải dùng nước rửa MC sau khi phun xốp. 

Máy phun áp cao (loại chỉ phun tỷ lệ 1:1 cho ra mút cứng): 

Loại máy này còn gọi là máy spray (giống kiểu phun sơn), là dòng máy di động, có thể kéo đến các công trình xa. Máy phun bằng áp suất cao, tức là hóa chất được bơm ở áp suất cao lên đầu trộn, tại đó chúng va chạm với nhau ở áp suất cao (trộn kiểu va chạm) rồi phun thẳng vào sản phẩm cần đổ xốp. 

Ưu nhược điểm: 

Máy khuấy trộn đều, cho sản phẩm mút tốt. không cần dùng nước rửa MC sau khi phun. 

Máy không cho phép đặt nhiều tỷ lệ mà chỉ chuyên cho sản xuất mút cứng cách âm cách nhiệt. 

Không cho phép đặt định lượng cho từng sản phẩm mà dựa trên lưu lượng ra, người sử dụng tính toán thời gian để ngưng phun khi thấy đã đủ xốp cho sản phẩm (ví dụ máy lưu lượng 9kg/phút, nếu phun sản phẩm bao nhiêu kg thì theo đó mà tính thời gian phun). 

Công suất của máy thường giới hạn, phù hợp cho phun vách tàu, container lạnh hay phun các sản phẩm nhỏ.

Máy phun xốp áp cao (cao cấp) (khuấy trộn bằng áp suất cao): 

Dòng máy áp cao, bơm hóa chất ở áp suất cao lên buồng trộn, tại đó hóa chất khuấy trộn va chạm và phun thẳng vào sản phẩm. Tùy theo ứng dụng mà đầu trộn có dạng thiết kế phù hợp để hóa chất phun ra mạnh hay nhẹ nhàng (Ví dụ phun panel cần đầu trộn phun mạnh, nhưng phun những sản phẩm nhỏ như yên xe thì cần đầu phun nhẹ.) 

Dòng máy này cho phép đặt tỷ lệ hóa chất theo ý muốn để cho ra mút cứng hay mềm, dạng đàn hồi hay bán cứng tùy ứng dụng. 

Ưu nhược điểm: 

Đây là dòng máy khuấy trộn hoàn hảo nhất, cho phép định lượng chính xác gần như tuyệt đối. Phù hợp cho sản xuất các sản phẩm đòi hỏi độ hoàn hảo, chính xác cao. Tiết kiệm hóa chất. 

Sau khi phun, máy không cần dùng nước rửa nên rất thân thiện môi trường. 

Nhược điểm duy nhất đó là giá thành đầu tư cao hơn so với các loại máy khác.