Assentos de carro, colchões e materiais de isolamento são geralmente feitos de espumas de poliuretano. O processo de formação de espuma das emulsões de polímero líquido é complexo. Os pesquisadores Fraunhofer agora são capazes de simular o comportamento de formação de espuma e caracterizar o material de forma confiável. Isso também funciona com materiais compostos nos quais as espumas de plástico são combinadas com estruturas têxteis.

As espumas de poliuretano - para abreviar, espumas de PU - desempenham um grande papel em nossa vida cotidiana, mesmo se geralmente não estivermos cientes deles. Sentamos e deitamos neles todos os dias:assentos de automóveis e colchões, por exemplo, são feitos de espuma PU macia. Espumas duras de PU, por outro lado, são usados, entre outras coisas, para materiais de isolamento em edifícios. Prever as propriedades das espumas e caracterizá-las é muito complexo - análises experimentais freqüentemente levam a parâmetros falsos.

Melhor planejamento de novas linhas de produtos

De particular interesse são as seguintes questões:Como o líquido inicial se transforma em espuma? E quais são as características da espuma criada? Pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Matemática Industrial ITWM em Kaiserslautern agora podem responder com segurança a essas perguntas e fornecer aos fabricantes de produtos de espuma de PU uma boa caracterização dos polímeros usados, tornando muito mais fácil para eles o planejamento de novas linhas de produtos. Isso é melhor explicado usando um exemplo, como um assento de carro. Nesse caso, algumas áreas devem ser mais duras e outras mais macias. Os fabricantes conseguem isso injetando espumas com características diferentes umas nas outras. Eles usam misturas de polímeros líquidos como seus materiais de partida, que são injetados em um molde adequado:um processo químico rápido, mas complicado, começa. Em alguns segundos, as duas emulsões líquidas se transformam em uma espuma de polímero complexa. Mas como exatamente as duas substâncias diferentes espumam? Eles têm as propriedades necessárias, e eles se espalham como pretendido em suas zonas adequadas? "Em vez de começar com a química e determinar experimentalmente todos os parâmetros, como taxas de reação e viscosidade em muitos experimentos independentes, fazemos dois ou três experimentos simples - como espuma em béqueres, "explica o Dr. Konrad Steiner, chefe de departamento da Fraunhofer ITWM. "Simulamos esses experimentos um a um no computador.

Esses experimentos servem para estabelecer os parâmetros do modelo necessários para a ferramenta de simulação FOAM, que calcula o comportamento de formação de espuma com base em simulações. Os resultados são robustos e confiáveis ​​para a aplicação específica. "Em vez de determinar cada parâmetro de caracterização separadamente em um experimento individual, o que pode levar a valores imprecisos, os pesquisadores agora podem obter dados confiáveis ​​para o processo de formação de espuma com um mínimo de esforço.

"Os fabricantes geralmente trabalham com três ou quatro espumas diferentes - para novos produtos, eles geralmente apenas mudam a combinação de espumas e as geometrias finais, "diz Steiner. Uma vez que os pesquisadores Fraunhofer caracterizaram uma espuma de PU por meio de simulação, isso fornece um bom ponto de partida para novos produtos. Os fabricantes podem inserir os dados da espuma que recebem na ferramenta de simulação FOAM e simular para cada novo produto e cada nova geometria como a massa da espuma e o calor devem ser transportados durante o processo de formação de espuma. No caso de um assento de carro, eles podem descobrir exatamente como injetar as duas espumas uma contra a outra para obter as propriedades de zona desejadas nos lugares certos.

A metodologia de simulação para identificar parâmetros e simular espuma com a ferramenta FOAM foi estabelecida, e vários projetos já estão em andamento com diversos clientes.

Materiais compostos com espumas de PU

Os fabricantes costumam confiar em espumas de PU em materiais compostos, como aqueles usados ​​para estruturas de suporte em carros, que deve ser estável, mas leve. Aqui, outros materiais de reforço, como têxteis, são integrados nas espumas. Considerando que uma folha de espuma rígida pode quebrar se for forçada a dobrar, uma folha com tecidos integrados pode facilmente resistir a essas forças. O comportamento do fluxo da emulsão de polímero muda, Contudo, como a estrutura têxtil no molde age naturalmente contra isso, levando a mudanças na dinâmica de formação da espuma e na estrutura da espuma:as bolhas ficam menores, a espuma fica mais densa.

A equipe de pesquisadores da Fraunhofer ITWM, junto com colegas do Departamento de Estruturas Leves e Tecnologia de Polímeros da TU Chemnitz, desenvolveram a primeira simulação para materiais compósitos. "Podemos calcular a resistência ao fluxo causada pela estrutura têxtil correspondente, que é uma expertise que já possuímos há algum tempo. Subseqüentemente, podemos simular como a formação de espuma ocorre dentro e ao redor da estrutura têxtil, "explica Steiner. Os fabricantes tiveram que testar laboriosamente se o composto de espuma tinha as propriedades necessárias - um processo que poderia durar semanas ou até meses. Em contraste, a simulação apresenta um resultado confiável em um ou dois dias. Os pesquisadores já validaram e testaram os resultados dos componentes e verificaram que eles correspondem muito bem à realidade.