ポリウレタンフォームはどのように製造されるのですか?プロセス、化学、および装置のガイド

簡単な答え: 2 つの液体、1 つの高速反応

ポリウレタンフォームは、イソシアネートとポリオールブレンドという 2 つの液体化学ストリームを計量、混合、分配し、反応混合物を膨張させて固体の気泡プラスチックにすることによって製造されます。目に見える展開には数秒かかります。内部の化学反応により、何時間も強度が高まり続けます。密度、セル構造、絶縁値、耐荷重能力など、完成品で重要な要素はすべて、ミキシング ヘッド内で 2 つの流れが衝突した後の最初の瞬間にほぼ決まります。

冷蔵庫のドアの内側の硬い断熱層、車のシートの下の柔軟なクッション、建物の屋根の連続板など、ほとんどの人はプロセスではなく結果を知っています。これらはすべて、原料の準備、正確な計量、高圧混合、金型またはコンベヤーへの分配、膨張、硬化という同じ順序に従います。

化学: イソシアネート、ポリオール、および細胞を構築するガス

ポリウレタンフォームは、イソシアネートがポリオールと反応すると形成されます。イソシアネートの -NCO 基はポリオールの -OH 基を攻撃してウレタン結合を形成し、短い液体分子を結合して長い固体ポリマーを形成します。この反応により熱が放出され、その発熱により気体が膨張し、フォームのセル構造が形成されます。

ほとんどの製剤では 2 つのガス発生ルートが並行して実行されます。

• 化学発泡: 水がイソシアネートと反応して二酸化炭素ガスを放出します。
• 物理的吹き込み: 低沸点の液体 (最新の硬質フォームに含まれる最も一般的なシクロペンタン) は、混合物が温まるにつれて蒸発します。

触媒はゲル化反応と発泡反応のバランスを制御し、シリコーン界面活性剤は成長中の細胞を安定化させて細胞が自重で崩壊しないようにします。これらのコンポーネントのいずれかの比率を変更すると、フォームが柔らかく柔軟な状態から、硬くて構造的なフォームに変化します。

原材料: 実際に混合されるもの

典型的な硬質ポリウレタンフォームの配合は、ポリオール 100 部あたりの部数で表すと次のようになります。

このグラフは、製造現場で重要な点を示しています。イソシアネート含有量は、重量でポリオール含有量の 40 ～ 60 パーセントにすぎませんが、どちらの流れでもわずか 1 ～ 2 パーセントの計量誤差がセルの構造、密度、接着力を変化させます。そのため、混合パドルではなく、高圧注入ポンプがフォームラインの真の心臓部となります。

シクロペンタンは、家電製品やパネルの発泡体については特に注意が必要です。フロン系発泡剤はオゾン層破壊係数がほぼゼロであるものの、可燃性であるため、フロン系発泡剤に取って代わりました。したがって、植物は安全なプレミックススキッド上で、または連続的なスキッドを介してポリオールに混合します。 シクロペンタンプレミックスシステム 。発泡剤の配送ルートは、家電用フォームの製造業者が最初に直面する決定事項の 1 つです。私たちのガイド 適切なシクロペンタン ポリウレタン発泡射出機の選び方 主なオプションについて説明します。

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ステップバイステップ: ポリウレタンフォームの製造方法

1. 原料の調整

どちらの成分も温度管理されたタンクに保管され、均一に保つために継続的に再循環されます。温度は粘度と反応性に直接影響します。ほとんどの MDI ベースのシステムは 20 ～ 35 °C の間に保たれます。ポリオールタンクには通常、界面活性剤、触媒、水がすでに入っており、プレミックススキッドを使用する場合はシクロペンタンも入っています。

2. 正確な計量

高圧ポンプは、制御された出力と制御された比率で各成分をミキシングヘッドに送ります。最新の機械では、体積で約 ±0.5 ～ 1 パーセントの比率精度が示されています。イソシアネート側が高くなると、フォームが脆くなり、厚い部分が焦げる可能性があります。低く漂っているとセルが崩壊し、部品の構造強度が不足します。

3. インピンジメントミキシング

高圧機械は機械的撹拌機を使用せずに混合します。 2 つの流れは約 120 ～ 180 バールで小さな部屋に入り、高速で正面衝突します。衝撃によって混合が行われ、ショットごとに油圧ピストンがチャンバーをフラッシュするため、ヘッド内で残留物が硬化することはありません。

4. 金型またはコンベア上への吐出

反応液は、閉じた金型、開いた金型、またはコンベアに直接注入されます。成形品では、ショット重量または充填率と呼ばれる射出量によって最終密度が決まります。連続したスラブストック ラインでは、液体が移動トラフに注がれ、そこで上昇して長いブロックになります。

5. ライズ、ジェル、キュア

液体が静止すると、化学反応が始まります。混合物はクリーム状になり、膨らみ、ゲル化し、粘着性がなくなります。以下の上昇曲線は、硬質フリーライズフォームの典型的なものです。素早い立ち上がり、急速な線形成長、その後、セルが所定の位置に固定されるにつれてプラトーになります。

プラトーの後、泡は化学的に固体ですが、まだ暖かくて柔らかいです。成形された硬質部品は通常 5 ～ 15 分以内に型から取り出され、部品は室温で約 24 時間後に最終強度に近くなります。

6. 仕上げと後処理

成形部品のバリがトリミングされ、ボイドがないかチェックされます。スラブストックブロックはシートに切断されます。硬質パネルは、必要に応じてサイズに切断され、エッジが付けられ、ラミネートされます。ポリウレタンの粉塵や部分的に硬化した残留物がフォームラインの主な汚染源となるため、ここでは良好な清掃が重要です。

フレキシブル、リジッド、スラブストック、成形品: プロセスのバリエーション

化学的性質は同じですが、レシピと装備は最終製品によって異なります。 4 つのバリエーションで業界のほとんどをカバーします。

• 柔軟なスラブストックフォーム: マットレスおよび室内装飾品用の低密度の連続気泡ブロックフォーム。ミックスは幅広のコンベアに注がれ、連続したバンズ状に上昇し、シートにカットされます。
• 軟質成形フォーム：自動車のシートなどに使用されます。混合物は成形された型に注入され、オープンセル構造により空気がクッションを通過します。
• 硬質成形フォーム: 冷蔵庫キャビネットおよび断熱ボード用の独立気泡で寸法的に安定したフォーム。シクロペンタンの吹き込みと高い注入圧力により、セルは小さく、絶縁値は高く保たれます。
• 硬質スプレーフォーム: 建築断熱用のポータブル機器を使用して現場で適用されるものと同じ化学的性質。

生産セットアップは製品に従います。断熱ボードなどの大量成形部品の場合、 ターンテーブル発泡射出成形機生産ライン 充填、硬化、脱型ステーションを通じて金型のインデックスを作成するため、射出ヘッドが金型を待つ必要はありません。連続した剛性パネルの場合は、H 型または環状のラインの方が適しています。単一マシンの操作は、少量のバッチやカスタム部品の場合でも経済的です。

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泡を作る装置

ポリウレタン フォーム プラントは、射出成形機、プレミックスまたはブレンド システム、生産ラインの 3 つの設備で構成されます。

射出機は化学薬品を計量して高圧で混合します。 2 コンポーネント マシンはアプリケーションの大部分を処理します。 3 成分の機械は、難燃剤、着色剤、または特殊なポリオール ブレンドのための 3 番目のストリームを追加します。寧波新良機械 二液性ポリウレタン高圧発泡射出機 はこのクラスの典型的な例であり、注入精度と混合圧力がショットごとに監視されます。このカテゴリを初めて使用する場合は、説明から始めてください。 ポリウレタン高圧発泡射出機とは .

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プレミックス システムは発泡剤を取り出してポリオールに安全にブレンドするため、射出機には常に均一なバッチが供給されます。生産ラインは、回転する多数の小型金型用のターンテーブル、大型剛性パネル用の H 型ライン、または連続積層ボード用の環状ラインなど、金型サイクルを組織します。適切な組み合わせは、部品のサイズ、生産量、維持する必要がある時間当たりの生産量によって異なります。

フォームが仕様を満たすかどうかを決定するもの

5 つの変数 (比率精度、成分温度、混合圧力、金型温度、原料の一貫性) によって、不合格のバッチからきれいで均一に盛り上がったフォームが分離されます。

温度はクリームタイム、つまり射出から膨張開始までの間隔を変えるため、最も間違いやすい変数です。 MDI システムの典型的な傾向を以下に示します。コンポーネントの温度が上昇すると、クリームタイムはほぼ直線的に短縮されます。フォーム化学薬品のサプライヤーは通常、配合とプロセス温度に応じて、キャビネット システムのクリーム時間を 4 ～ 12 秒の範囲で見積もります。

混合圧力はオペレーターの早期警告システムです。混合ヘッドでの圧力低下は通常、ノズルの摩耗、チャンバーの汚れ、またはポンプのストローク損失を意味します。比率のドリフト、汚染された原材料、湿ったポリオール バッチはすべて、実験室テストが終了する前にセル構造に現れます。各変数の詳細については、内訳をご覧ください。 ポリウレタンフォームの射出品質に影響を与える要因は何ですか .

ポリウレタンフォームの製造に関するよくある質問