Come funzionano le schiume poliuretaniche: Chimica, personalizzazione e applicazioni di utilizzo finale

Le schiume poliuretaniche sono materiali versatili utilizzati come componenti strutturali per l’edilizia, in pezzi stampati, materiali flessibili per cuscini e adesivi/sigillanti. Fanno parte della nostra vita quotidiana. Le schiume poliuretaniche rappresentano un’ampia classe di materiali che possono essere formulati con caratteristiche specifiche per un particolare utilizzo finale. Se appositamente formulati, possono rivelarsi sigillanti estremamente efficaci. Questi sigillanti sono comunemente utilizzati negli impianti elettrici e nel settore delle comunicazioni (ad esempio come sigillanti per condotti).

Qual è la chimica della schiuma di poliuretano?

La schiuma di poliuretano viene prodotta tramite una reazione esotermica tra un isocianato e un composto contenente idrossile, solitamente un poliolo. La struttura del poliolo influenza il grado di reticolazione e la flessibilità della resina o della schiuma finita. Spesso si verifica una reazione secondaria con l’acqua che determina proprietà aggiuntive. L’acqua e l’isocianato rilasciano anidride carbonica che genera schiuma e si indurisce in una struttura polimerica. Importanti modificatori della reazione sono il catalizzatore e l’agente gelificante. Questi determinano la velocità della reazione e possono anche contribuire a bilanciare la reazione dell’acqua.

Altri additivi utilizzati nella schiuma poliuretanica

Altri additivi determinano le caratteristiche della schiuma poliuretanica, consentendo di progettare la formulazione finale appositamente per l’uso finale. Esse includono:

• • Ritardanti di fiamma
  • Tensioattivi, compatibilizzanti o promotori dell’adesione
  • Stabilizzatori di schiuma o apritori di celle
  • Plastificanti
  • Agenti di reticolazione ed estensori di catena
  • Riempitivi

Come funziona la schiuma di poliuretano? Spiegazione della reazione chimica

La schiuma di poliuretano è il risultato di una reazione chimica quando i suoi due componenti vengono miscelati. Le basi della reazione sono l’espansione e la fase di gel. Durante la fase di reazione iniziale, una piccola quantità di gas CO₂ viene rilasciata e intrappolata nella miscela liquida. In questo modo si creano piccole bolle. Man mano che queste bolle si moltiplicano e si espandono, anche la miscela si espande o sale. Quanto più il liquido forma schiuma in questa fase di reazione iniziale, tanto meno denso sarà il materiale. La resina quindi si polimerizza e si indurisce attorno alle bolle, creando una matrice uniforme di celle. Questa struttura cellulare è robusta. Quando le celle rimangono chiuse, la struttura è impermeabile all’acqua e all’aria.

Personalizzazione della schiuma poliuretanica per applicazioni di utilizzo finale

Le schiume possono essere personalizzate in base all’utilizzo finale e sul mercato ne esistono migliaia di varianti. Conoscendo i requisiti dell’utilizzo finale, è possibile adattare e personalizzare la chimica della schiuma per adattarla allo scopo. Di seguito sono riportate solo alcune considerazioni comuni:

Considerazioni sulla densità

Questa caratteristica di base determinerà quanto leggero o pesante sarà il materiale. Il vantaggio delle schiume a bassa densità è che una piccola quantità di materiale di partenza riempie un ampio spazio. Le schiume leggere possono essere economicamente convenienti. D’altro canto, le schiume dense possono essere estremamente resistenti e durevoli.

Flusso e velocità di polimerizzazione

La velocità di reazione è controllata da alcune variabili. È possibile progettare una gelificazione rapida nella reazione. Ciò può limitare rapidamente il flusso del liquido prima che inizi a solidificarsi. Poiché a volte può essere utile che il fluido scorra un po’, è anche possibile rallentare la polimerizzazione quel tanto che basta per consentire al materiale liquido di diffondersi in tutti gli spazi che devono essere coperti e riempiti.

Ritardanti di fiamma

Le schiume poliuretaniche possono essere utilizzate per bloccare il flusso d’aria e sigillare gli spazi negli edifici. Inoltre è possibile aggiungere ritardanti di fiamma per limitare la diffusione del fumo e dell’incendio. I poliuretani progettati con questa caratteristica sono autoestinguenti.

Cella chiusa vs cella aperta

Le bolle presenti nella schiuma sono chiamate “celle”. Una cella completamente intatta è detta cella chiusa, mentre la cella aperta ha un’apertura ed è comunicante con un’altra cella. Quanto maggiore è il contenuto di celle chiuse, tanto più la schiuma sarà impermeabile all’acqua e all’aria (solitamente preferita per i sigillanti). In alcuni casi si preferisce aprire le celle per consentire all’aria e all’acqua di fluire attraverso la schiuma. Ciò può anche conferire una certa elasticità al materiale. Può anche consentire il passaggio dell’acqua (ad esempio, in una spugna per lavare i piatti). Per le applicazioni che richiedono prestazioni di tenuta all’aria o all’acqua, è indispensabile una schiuma a celle chiuse.

Confezione e applicazione della schiuma poliuretanica

Per avviare la reazione, i componenti della schiuma poliuretanica devono essere ben miscelati. Questo può essere fatto meccanicamente con un miscelatore. Per i prodotti utilizzati in loco, le schiume poliuretaniche sono disponibili in pratiche confezioni, come i sacchetti di miscelazione affiancati, da rompere al momento dell’utilizzo. Possono anche essere erogati dalle cartucce tramite un miscelatore statico. In questa confezione, le due parti devono essere bilanciate volumetricamente e devono combinarsi facilmente per garantire una corretta miscelazione. Lo sviluppo di questa soluzione completa avviene sia attraverso la formulazione che attraverso la progettazione del miscelatore. La viscosità dei componenti non reagiti influenza la facilità di erogazione e la precisione della miscelazione dei due componenti attraverso il miscelatore statico.

Test fisici della schiuma di poliuretano

Le schiume poliuretaniche possono essere formulate in modo da garantire un’eccellente adesione a diverse superfici. Possono essere molto resistenti e rigide oppure morbide e flessibili. Il poliuretano può essere testato per determinarne la densità, l’assorbimento di umidità, la resistenza alla compressione e la resistenza alla trazione.

Test delle prestazioni della schiuma di poliuretano

Per garantire prestazioni adeguate è fondamentale testare specificatamente l’uso finale. Ciò può includere prove idrostatiche, prove di flusso d’aria, prove di resistenza al fuoco e prove di resistenza chimica. È inoltre importante testare la compatibilità con tutti i componenti con cui la schiuma resta a contatto, come le guaine dei cavi.

Schiume monocomponente: Un confronto

I sigillanti monocomponente spray per fessure e crepe sono molto comuni nei negozi di bricolage e ferramenta. Queste schiume monocomponente sono molto diverse dai sistemi bicomponente isocianato/poliolo discussi sopra. Le schiume monocomponente dipendono praticamente per tutta la loro espansione dal propellente spray. Dopo questa espansione, queste schiume dipendono dall’umidità ambientale disponibile per polimerizzare la resina e creare resistenza. La resistenza complessiva di queste schiume monocomponente è spesso di gran lunga inferiore a quella delle schiume bicomponenti di isocianato/poliolo. Alcune caratteristiche comuni includono:

• • Schiuma leggera a bassa densità
  • Profondità di polimerizzazione limitata di 3-4 in. (7-9 cm)
  • Ciclo di polimerizzazione lungo
  • Contenuto di celle aperte più elevato

Che cosa fa di un schiuma poliuretanica un buon prodotto?

Poiché è possibile ottenere un numero infinito di formulazioni, le schiume poliuretaniche possono essere personalizzate per adattarsi ad applicazioni molto specifiche. Le variazioni possono riguardare la velocità di polimerizzazione, la dinamica del flusso, la temperatura di reazione, la compatibilità dei componenti, la densità finale, la struttura cellulare, la resistenza al fuoco, l’elasticità, la resistenza alla trazione e una serie di altre caratteristiche. Le schiume monocomponente a celle aperte disponibili nei negozi di “fai da te” sono concepite come soluzioni economiche per la più ampia gamma possibile di utilizzi finali. Tuttavia, questo tende anche a renderli meno adatti a qualsiasi singola applicazione. Perché acquistare un prodotto discreto quando è disponibile un prodotto eccellente? Per sigillare infrastrutture critiche, come costosi cavi elettrici o di comunicazione in condotti, dove è richiesta una protezione robusta e impermeabile, una buona schiuma è meglio definita come una miscela bicomponente a celle chiuse progettata e testata specificatamente per quell’ambiente. Qualsiasi risparmio percepito con schiume economiche, monoblocco e a celle aperte svanisce rapidamente se si considera il costo delle tenute difettose e dei danni che ne conseguono. Pertanto, ha senso cercare produttori di schiume in grado di realizzare formulazioni mirate per prestazioni ottimali.

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