عوامل پف‌زا برای اسفنج نرم کم‌چگالی

اسفنج‌های نرم کم‌چگالی، در محدوده چگالی بین 10 کیلوگرم بر متر مکعب تا حدود 80 کیلوگرم بر متر مکعب، جهت کاربردهایی نظیر: بالشتک، مبلمان، کاهنده‌ی انرژی صوت، لرزش و غیره استفاده می‌شوند. این اسفنج‌ها غالبا به جهت کاربرد در دسته‎ی صنایع مبلمان، ملحفه، زیرانداز فرش (carpet underlay) و صنایع حمل¬و¬نقل قرار می‎گیرند.

معیارهای عملکردی خاص

عملکرد اصلی عامل پف‌زا در اسفنج نرم، کاهش چگالی در کنار ایجاد ریخت‎شناسی بسپاری مناسب و ساختار سلولی اسفنج است که به اسفنج این امکان را می‎دهد که ویژگی‎های عملکردی متناسب با کاربرد را برآورده سازد. برخلاف اسفنج عایق، عامل اسفنجی‌کننده در اسفنج نرم باقی نمی‌ماند. این اسفنج به طور کلی سلول باز بوده و هوا در آن نفوذپذیر است. به طور سنتی، اسفنج‌های نرم پلی‌یورتان با CO2 که به صورت درجا (in situ) از واکنش آب و ایزوسیانات تشکیل می‌شود، پفیده می‌شوند.
از عوامل پف‌زای کمکی به جهت محدودیت‎هایی که در خواص اسفنج به علت تولید CO2 به صورت شیمیایی به عنوان تنها عامل پف‌زا به دلیل ماهیت گرمازای واکنش ایزوسیانات و آب دارد، استفاده می‎شود. تا اواخر دهه 1980، CFC-11 عامل پف‌زای کمکی جهت انتخاب در تولید اسفنج نرم کم‌چگالی بوده است. با پذیرش توافقنامه مونترال و استانداردهای ملی، فرمول‌های اسفنج به سمت سطوح بالاتر آب با استفاده از مواد پف‌زای کمکی کمتر و یا بدون استفاده از آن تکامل یافت.

بررسی عامل پف‌زا به کمک فرایند تولید

انتخاب ماده پف‌زا برای اسفنج‌های نرم کم‌چگالی به عوامل بسیاری مانند ویژگی‎های اسفنج، انتخاب ماده اولیه و در دسترس بودن فرایند تولید آن، وابسته است. اسفنج‎های نرم بر اساس ویژگی‌ها، نوع مواد اولیه مورد استفاده و نحوه تولید دسته‎بندی می‎شوند. این ویژگی‌ها عبارتند از واجهندگی یا بازگشت‌پذیری (resiliency) به میزان معمولی، کم و یا زیاد، میزان سختی به درجه‌ی فوق نرم، نرم، متوسط و سخت و قابلیت اشتعال‎پذیری با ماده‎ی اصلاح شده یا نشده در برابر اشتعال. علاوه بر این، ویژگی‌های دیگری مانند خواص پادایستایی (antistatic)، تحمل بار بالا و غیره. طبقه‎بندی مواد اولیه شامل: ایزوسیانات‌های مورد استفاده، مانند تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) با نسبت 65:35 و 80:20 (نسبت همپار (isomer) پارا به ارتو)، ترکیب TDI/دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI) وMDI پایه و پلی‌ال مورد استفاده، مانند پلی‌اتر (پر شده/پیوندی/هم‌بسپار (copolymer) یا نوع متعارف آن) یا پلی استر می¬باشد. روش‌های تولید شامل قالب‌گیری در محل یا تختال¬هایی (slab) است که به‌طور پیوسته یا ناپیوسته تولید شده‌اند و سپس به شکل و اندازه مورد نیاز برش خورده‌اند.
هر کاربرد نهایی دارای مجموعه مشخصی از الزامات و ویژگی‌های مواد اولیه و مسیر تولیدی محصول مورد نظر است که این موارد تا حدودی با توجه به تعداد بالای ترکیبات ممکن از مواد اولیه و نیز خواص متعدد آن‎ها، به موقعیت جغرافیایی مورد نظر بستگی دارد. در ادامه به بحث در زمینه‎ی گزینه‌های موجود در خصوص عامل پف‌زا که به فرایند تولید وابسته است پرداخته می‌شود. علاوه بر این، گزینه‌های موجود برای عامل پف‌زا جهت کاربرد در اسفنج پلی‌یورتان کم‌چگالی، بیشتر به فرایند تولید مورد استفاده بستگی دارد و کمتر به عوامل دیگر وابسته است. در ادامه الزامات منحصر به فرد از یک کاربرد نهایی و یا یک ویژگی در صورت لزوم مورد بحث قرار خواهد گرفت.

تختال (Slabstock) پیوسته

تختال‌های اسفنجی نرم در مبلمان، کالای خواب، حمل‌ونقل (بالشتک و میراینده صدا)، زیرانداز فرش، بسته‌بندی، منسوجات چندلایه و سایر کاربردهای متفرقه استفاده می‌شوند. تختال پیوسته به طور گسترده در فرایند تولید قرار می‌گیرد.

(آب)پفیده

به طور سنتی، نقطه قطع (cut-off point) برای استفاده از عامل پف¬زای کمکی در حدود 23 کیلوگرم بر متر مکعب بوده است، یعنی اسفنج نرم با چگالی حدود 23 کیلوگرم بر متر مکعب و بالاتر به صورت پرنشده با میزان انعطاف‌پذیری متوسط معمولا تنها با آب پفیده (blown) می‎شود. طبق قرارداد مونترال و استانداردهای ملی، تلاش گسترده‌ای برای توسعه دامنه اسفنج‌ها، هم از نظر چگالی و هم از دیدگاه ویژگی‌ها، صورت گرفته که می‌توان با استفاده از آب به عنوان تنها عامل پفش و نیز جلوگیری از خوداشتعالی به دلیل بالا بودن میزان گرمازایی آن استفاده کرد. طیف وسیعی از محصولات و فناوری¬های جدید از پلی‌ال‌های ویژه، پیش بسپارهای ایزوسیانات، افزودنی‌های نرم‌کننده و یاریگرها برای تکمیل سامانه‎های تولید پلی‌یورتان با مواد اولیه ویژه توسعه یافته‌اند. با درک جنبه‌های حیاتی از ساختار مواد اولیه و چگونگی تاثیر آن بر ریخت‌شناسی اسفنج و تاثیر آن بر خواص توده ماده، فناوری‌های پلی‌ال و اصلاح کننده‌های جدید بسپارها توسعه یافته‎اند. پلی‌اتر پلی‌ال‌های اصلاح شده‌ی جدید قادر به تامین بازه بزرگ‌تری از سختی اسفنج در چگالی‌های کمتر هستند. برخی از این پلی‌ال‌ها اجازه‌ی استفاده از شاخص‌های TDI کم‌تر را می‌دهند که سبب کاهش گرمازایی و چگالی اسفنج می‌شوند. پلی‌ال‌های اصلاح شده‌ی دیگر سبب گسترش انواعی دیگر از محصولات نظیر اسفنج نرم اصلاح شده در برابر سوختن با دو نوع MDI و TDI شدند. برخی از پیشرفت‌های اخیر، پلی‌ال‌های جدید و سامانه‌هایی جهت تولید اسفنج فوق نرم و اسفنج جذب‌کننده انرژی گران‌روکشسان (viscoelastic) یا اسفنج با انعطاف‌پذیری کم هستند. مقدار اتیلن اکسید، وزن مولکولی، نوع گروه‌های عامل و مقدار هم‎بسپار، برخی از متغیرهایی هستند که برای تولید این پلی‌ال‌های جدید وجود دارند. طیف‌ کاملا جدیدی از پلی‌ال‌ها مانند ®ULTRACEL توسطARCO/Bayer و ™CELLTRE توسط Dow معرفی شده-اند. اگرچه این پیشرفت‌ها فناوری‌ آب‌پفیده (water blown) را گسترش داده‌اند، هنوز نمی‌توان طیف کاملی از محصولات را با استفاده از این پلی‌ال‌های جدید به تنهایی تولید کرد.
افزودنی‌های نرم‌کننده ویژه‌ای که ریخت‎شناسی بسپار را تغییر می‌دهند و اسفنج را نرم می‌کنند، ساخته شده‌اند. اصلاح‌کننده‌هایی مانند ®Geolite، تولید گونه‎های متعدد اسفنج‎ها را در شاخص‌های بسیار پایین تسهیل می‌کنند و در عین حال خواص فیزیکی قابل قبولی را حفظ می‌کنند. مشخص شده است که سایر اصلاح‌کننده‌ها مانند Unilink® 4200 بازدهی پفش CO2 (آب) و در نتیجه چگالی را می‌کاهند، در حالی که خواص فیزیکی از جمله نرمی حفظ می‌شود. ترکیبات اختصاصی که امکان کاهش چگالی اسفنج را بدون خطرات تخریب گرمایی فراهم می‌کنند نیز شناسایی شده‌اند. علاوه بر این، یاریگرهای جدیدی توسعه یافته‌اند که سختی اسفنج را کاهش می‌دهند و در نتیجه نیاز به افزودنی‌ها یا اصلاح‌کننده‌های نرم‌کننده را می‎کاهند. اسفنج‌های تختالی به طور سنتی با استفاده از TDI ساخته می‌شوند، اما به جهت گسترش دامنه سختی در اسفنج آب‌پفیده، سامانه‌های اسفنج MDI توسعه یافته‌اند. استفاده از MDI امکان گرمازایی کمتر، طیف وسیع‌تری از سختی با تغییر شاخص، افزایش مقاومت در برابر اشتعال و کاهش خطر بخارات خطرناک را فراهم می‌کند. تمام سامانه‌های بر پایه MDI برای اسفنج مبلمان/ کالای خواب با انعطاف‌پذیری بالا و اسفنج بسته‌بندی با انعطاف‌پذیری کم توسعه یافته‌اند. فناوری‎های جدید جهت تولید اسفنج با طیف گسترده‌ای از ترکیب سختی / چگالی با تعداد کمی از اجزای مواد اولیه همراه با پایداری قابل توجه و زمان پخت سریع توسعه یافته‎اند.
™ CELLQUEST توسط Dow و ®WATERLILY توسط Huntsman/IC چند نمونه از فناوری تختال‌های آب‌پفیده بر پایه MDI هستند.

عوامل پف‌زای کمکی جایگزین

CFC-11 تا اواسط دهه 1980 عامل پف‌زای کمکی غالب در اسفنج نرم بود، اما استفاده از آن از سال 1986 به طور قابل توجهی در سراسر جهان کاهش یافت. به عنوان مثال، صنعت اسفنج نرم در ایالات متحده استفاده از CFC-11 را تا بیش از 90 درصد بین سال‌های 1986 تا 1990 کاهش داد. اگرچه برخی از HCFCها، به ویژه HCFC-22 و HCFC-141b، مورد ارزیابی قرار گرفته و در نقش اسفنج‌های کم‌چگالی (19-13 کیلوگرم بر متر مکعب) موفق عمل کرده‌اند، استفاده از آن‌ها در اکثر نقاط توسط قانون‌گذاران مجاز اعلام نشده است. قبل از کنارگذاری تدریجی CFC-11، ترکیبات متیلن کلرید به جهت خواص فیزیکی همراه با هزینه کم به عنوان یک عامل پف‌زا در حدود سال 1975 معرفی شدند. از سال 1986، استفاده از متیلن کلرید به طور قابل توجهی افزایش یافت. در عین حال نگرانی‌ها جهت سمیت آن، سبب مصرف آن تحت مقررات دولتی در بسیاری از نقاط جهان شد. متیلن کلرید اغلب به عنوان نوعی ماده‌ی آلی فرار (VOC) محسوب شده که مقررات دولتی، مقدار کل این آلاینده منتشر شده از یک کارخانه اسفنج، که به عنوان تهدیدی برای سلامتی محیط کار در نظر گرفته می‎شود را محدود می‎کند. به عنوان مثال، از نوامبر 2001، سطح مجاز انتشار متیلن کلرید در محل کار توسط OSHA در ایالات متحده امریکا، به میزان بیست برابر به مقدارppm 25 کاهش یافت و در برخی کشورهای اروپایی مانند آلمان به طور کلی ممنوع شده است اما در ایتالیا به خوبی پذیرفته نشده است. متیلن کلرید همچنان یک عامل پف-زای کمکی پرکاربرد به ویژه در کشورهای در حال توسعه (،Article 5 countries، بر اساس طبقه‌بندی قرارداد مونترال مشتمل بر 147 کشور از جمله ایران می‌باشند، مترجم) بوده که جهت تولید اسفنج‌های نرم با خواص ویژه با پلی‌ال فرمول‌بندی شده است. پایداری اسفنج نرم کم‌چگالی پفیده با متیلن کلرید به وسیله‌ی اصلاح‌کننده‌های ویژه مانند Geolite بهبود یافته که نرمی و نقطه تسلیم را نیز افزایش می‌دهد. آلودگی متیلن کلرید با آهن می‌تواند باعث سوزش شدید شود و بنابراین فقط باید از مواد گونه خاص یورتان (urethane grade) استفاده شود.
متیل کلروفرم به عنوان یک عامل پف‌زای کمکی در سال 1989 به عنوان جایگزین موقت برای CFC-11 معرفی شد. با این حال، تولید کلروفرم در ایالات متحده از 1/1/96 متوقف شد و پس از آن در ایالات متحده و هم‌چنین در بیشتر نقاط دنیا دیگر استفاده نشد. اسید فرمیک نیز به عنوان یک عامل پف‌زای کمکی که با ایزوسیانات واکنش داده ارزیابی شده و سبب تولید یک مول CO2 و یک مول CO می‌شود. بنابراین برای هر مول اوره تولید شده، حجم گاز تولید شده با اسید فرمیک دو برابر بیشتر از واکنش با آب است که این مورد سبب تولید اسفنج نرم‌تر با همان چگالی می‌شود و استفاده صنعتی محدودی به دلیل هزینه بالای نظارت و حفاظت در برابر انتشارCO داشته است. استون و پنتان برخی از ترکیبات دیگری هستند که به عنوان عوامل پف‌زای کمکی ارزیابی می‌شوند، اما اشتعال‌زایی ذاتی آن‌ها سبب ایجاد نیاز به تغییرات قابل توجهی در فرایندهای تولید اسفنج از جمله عایق‌سازی خطوط تولید اسفنج و نواحی پخت نسبت به انفجار می‌شود. اگرچه استفاده از عوامل پف‌زای کمکی ذکر شده در بالا در سراسر جهان به نفع فرمول‌بندی‌های CO2 -مایع‌پفیده یا آب‌پفیده کاهش یافته است، اما هم‌چنان در بسیاری از کشورها از جمله کشورهای توسعه نیافته
(Article 5 (1) countries) محبوب هستند و برای ساخت اسفنج¬های خاص استفاده می‌شوند.

فناوری عامل پف‌زای CO2 مایع

با توجه به اینکه CO2 مایع (liquid CO2) ارزان است و به راحتی از منابع طبیعی حاصل می‎شود، سه برابر بیشتر از جایگزین‌های موجود رقیب، گسترش پیدا می‌کند و هیچ اثر نامطلوبی بر سلامت کارگران یا ایمنی کارخانه ندارد و استفاده از آن به عنوان یک عامل پف‌زای کمکی برای مدت طولانی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است.
به دلیل مشکلات فرایندی نظیر تشکیل حفره در داخل اسفنج ناشی از انبساط کنترل نشده CO2 مایع و همچنین به دلیل نیاز به اندازه‌گیری و اختلاط دقیق ماده (که تنها در فشار بالا در دمای اتاق به حالت مایع است)، استفاده از CO2 مایع به عنوان عامل پف‌زا تاکنون تجاری نشده است. اخیرا سه تولیدکننده تجهیزات، Cannon، Hennecke و Beamech دستگاه¬ها و فناوری‌های بسیار خاصی را برای غلبه بر این مشکلات توسعه داده‌اند که اگرچه در جزئیات متفاوت هستند، اما همه آنها شامل پیش اختلاط CO2 مایع با پلی‌ال و به دنبال آن مخلوط شدن با اجزای دیگر، تماما در فشار زیاد و سپس کنترل دقیق کاهش فشار در طول مدت زمان حذف حفره¬ها (lay down phase) است. Cannonفناوری انحصاری خود را ®CarDio نامید و در سال 1994 آن را به صورت تجاری در اروپا در خطوط تولید Maxfoam موجود، معرفی کرد و این اسفنج را با چگالی کم در حدود 14 کیلوگرم بر متر مکعب در گونه‎های مختلف از جمله گونه‌های نرم تولید کرد. تا سال 1997، این فرایند در تمام قاره‌ها برای تولید طیف گسترده‌ای از گونه‌های مختلف اسفنج، از جمله اسفنج‌های پرشده و اصلاح شده در برابر احتراق و نیز با انعطاف‌پذیری بالا (HR) در تراکم‌های کمتر از 11-10 کیلوگرم بر متر مکعب استفاده می‌شد. Cannon اخیرا دستگاه جدید CarDio 2000 را روانه بازار کرده است که دارای یک دستگاه تنظیم فشار برای پوشش دادن محدوده وسیع‎تری از خروجی اسفنج و طیف وسیع¬تری از بارگیری CO2 مایع است.
Hennecke و Bayer فناوری CO2 مایع را در اواسط دهه 1990 توسعه داده و تجاری کرده که آن را فرایند ® NovaFlex نامیدند که می‌توان آن را در تمام ماشین‌های تولید تختال پیوسته و برای ساخت طیف وسیعی از اسفنج‌ها به کار گرفت. Hennecke اخیرا یک فناوری جدید و همه‌کاره‌تری از CO2 مایع به نام MultiFlex™ معرفی کرده است. فناوری انحصاری Beamech فرایند ™CO-2 نامیده می‌شود و با Maxfoam/Varimax، Vertifoam و فرایندهای نوار نقاله شیب‌دار پیوسته به کار گرفته می‌شود.
استفاده از CO2 مایع به عنوان عامل پف‌زای کمکی که در کنار هر یک از اجزای اسفنج، به‌ویژه فعال‌کننده‌های سطح و بهینه‌سازی مقدار آن‌ها به جهت فراورش بدون مشکل و دست‎یابی به کیفیت بهینه اسفنج، نقش ضروری ایفا می‌کند. یکی از نیازهای اصلی، توسعه فعال¬کننده سطح سیلیکونی بوده که می‌تواند هسته‎گذاری را در طول فرایند کاهش فشار سریع، کنترل و هدایت کنند و ساختار سلول اسفنج را تثبیت نمایند. چگونگی تأثیر ساختار فعال¬کننده سطح بر پایداری اسفنج، ساختار سلولی و عملکرد اشتعال‎پذیری اسفنج مورد مطالعه قرار گرفته است. فعال‌کننده‌های سطح جدیدی جهت استفاده در فناوری CO2 مایع، بهینه‌سازی شده‌اند که ساختار سلول را در نتیجه هسته‌زایی بهینه، کنترل کف‌زایی (frothing support، کنترل تشکیل حباب در سطح اسفنج، مترجم) و پیشگیری از تجمع ذرات (coalescence prevention) بهبود می‌بخشد.
CO2 مایع به عنوان عامل پف‌زای کمکی قابل انتخاب در سراسر جهان برای تولید طیف کاملی از تختال‌های اسفنجی در حال ظهور است. برخی از پیشرفت‌های اخیر عبارتند از مصرف این ماده در ساخت اسفنج گران‌روکشسان با کارایی بالا برای محصولات خواب.

فناوری ساخت جایگزین

یکسری اصلاحات در فرایند تولید اسفنج به جهت عدم نیاز به مواد پف¬زای کمکی و استفاده از آب به عنوان تنها عامل پف‌زا، ایجاد شده است. خنک‌سازی اجباری با دمیدن سریع هوا درون اسفنج، یکی از این فناوری‌ها است که با موفقیت توسط چندین تولید‌کننده استفاده شده است. فناوری Enviro-Cure که توسط Crain Industries Inc توسعه یافته، فرایند Rapid Cure توسعه‌یافته توسط بخش General Foam در PMC Inc، و فرایند E-Max که توسط Uniform AG توسعه یافته، نمونه¬هایی از فناوری‌های فرایند خنک‌سازی سریع هستند. از طریق انطباق فرایند و متغیرهای فرایندی با شرایط هر واحد تولیدی و بهینه‌سازی فرمول‌بندی، به ویژه پلی‌ال و اصلاح‌کننده‌ها، امکان تولید طیف کاملی از چگالی و سختی، بدون استفاده از عوامل پف‌زای کمکی فراهم شده است. برای غلبه بر از دست‌رفتن خواص ناشی از زمان پخت کوتاه این فرایند، یاریگرهای جدیدی ساخته شده‌اند.
یکی دیگر از فناوری‌های تولید جایگزین که برای حذف عوامل پف‌زای کمکی توسعه یافته است، فشار متغیر در اسفنج-سازی است که به آن فناوری اسفنجش فشارمتغیر یا VPF (Variable Pressure Foaming) نیز گفته می‌شود. در اینجا کلیه‎ی عملیات اسفنج‌سازی در یک محفظه تحت خلأ/ فشار انجام می‌شود که در آن میزان فشار می‌تواند بر روی اسفنج در حال تولید تغییر کند. با استفاده از این فناوری می‌توان تمام گونه‎های اسفنج را با استفاده از آب به تنهایی تولید کرد که این روش به‌رغم هزینه سرمایه اولیه بالای آن در بسیاری از مکان‌های تجاری استفاده می¬شود.

تختال ناپیوسته

این اسفنج که به عنوان اسفنج جعبه‌ای (Box Foam) نیز نامیده می‌شود، به طور کلی در کشورهای در حال توسعه یا برای ساخت اسفنج تخصصی استفاده می‌شود که از نظر شیمیایی عملا شبیه به تختال پیوسته است، اما انواع ماده پف‌زای مورد استفاده به دلیل هزینه‌های سرمایه‌گذاری کم و سادگی نسبی فر‌ایند تا حدودی محدود است. CO2 تولید شده توسط واکنش آب-ایزوسیانات که به عنوان عامل پف‌زای اولیه است، با متیلن کلرید به عنوان عامل پف‌زای کمکی، غالبا برای به دست آوردن چگالی/ سختی کم مورد استفاده قرار می‌گیرند. اصلاح‌کننده‌های اسفنج شیمیایی برای تثبیت اسفنج کم-چگال پفیده با استفاده از سطوح بالای متیلن کلرید توسعه پیدا کرده‌اند. برای ساخت اسفنج فوق نرم ویژه از پلی‌ال مخصوص استفاده شده است.
CO2 مایع به ‌عنوان عامل پف‌زای کمکی برای تختال ناپیوسته مورد بررسی قرار گرفته اما نیاز به سنجش دقیق، سازگاری آن را با اسفنج به شدت محدود کرده است. استفاده از سرمایش اجباری در آسیا مورد ارزیابی قرار گرفته اما چندان موفق نبوده است. فناوری اسفنجشی که تا حدودی موفق بوده است، فناوری اسفنجش با کنترل محیطی (Control Environment Foaming) است که بسیار شبیه به فناوری VPF است اما پیچیدگی کمتری دارد. FoamOne یکی از این فرایندهای ناپیوسته است که تنظیمات فشار را می‌توان از 7 کیلو پاسکال مطلق تا 190 کیلو پاسکال مطلق تنظیم کرد.

اسفنج قالب‌گیری شده

نزدیک به 20 درصد از اسفنج‎های نرم کم‌چگالی به عنوان محصولات نهایی تهیه شده با قالب‌گیری در قالب‌های بسته تولید می‌شود. اسفنج‌های PU به دلیل برتری در میرایی ارتعاش در طیف گسترده‌ای از بسامدها در مواد با چگالی کم و نیز توانایی قالب‌گیری در بخش‌های نازک و پیچیده، نه تنها در صندلی‌های خودرو بلکه در بخش‌های مختلف صوتی و سایر کاربردهای جذب انرژی نیز یافت می‌شوند. بنابراین، اسفنج‌های نرم کم¬چگالی قالب‌گیری شده برای صندلی‌های خودرو و تزئینات داخلی، از جمله تزئینات جاذب صدا، در مبلمان و محصولات خواب و در بسته‌بندی نیز استفاده می‌شوند.
اسفنج PU مورد استفاده در محصولات قالب‌گیری را می‌توان به چهار فناوری اصلی طبقه‌بندی کرد که شامل فرایند پخت گرم با استفاده از TDI، فرایند پخت سرد با استفاده از TDI به صورت کامل، ترکیب TDI/MDI و MDI پایه هستند. فرایند پخت سرد اغلب به عنوان فرایند با انعطاف‌پذیری بالا (High Resilience, HR) شناخته می‌شود. سطح استفاده از این فناوری‌ها در هر بخش از دنیا به امکانات تولیدی موجود، الزامات عملکرد و شرایط بازار بستگی دارد. در آمریکای شمالی، بیشتر از فناوری اسفنج HR بر مبنای TDI با برخی از ترکیبات TDI/MDI و گاهی از HR بر پایه MDI استفاده می‌شود اما فناوری پخت گرم بسیار کم است. در اروپا، آسیا/ اقیانوسیه و آمریکای لاتین، هر چهار فناوری استفاده می‌شوند. اگرچه فناوری HR، به‌ویژه بر پایه MDI و ترکیبTDI/MDI ، به‌طور پیوسته در حال رشد است. عموما چگالی اسفنج‌های قالب‌گیری شده در مقایسه با تختال 25 تا 55 کیلوگرم بر متر مکعب بیشتر است، بنابراین آب عامل پف‌زای اصلی بوده است. عوامل پف‌زای کمکی به ویژه CFC-11 و متیلن کلرید هنوز هم در بسیاری از موارد، در درجه اول برای کاهش سختی در فرمول‌بندی‌های پخت گرم و کاهش چگالی و افزایش جریان در فرمول‌بندی‌های پخت سرد/ فرمول-بندی‌های MDI، استفاده می‌شوند. با پذیرش توافقنامه مونترال و استانداردهای ملی، تمام اسفنج‎های قالب‌گیری شده به CO2 به عنوان عامل پف‌زا سوق پیدا کردند. اگرچه دقیقا نحوه تولید CO2 و یا نوع افزودنی‌ها/فناوری‌های جدید مورد استفاده به این مورد که کدام یک از چهار فناوری اصلی شرح داده شده در بالا مورد استفاده قرار گرفته است بستگی دارد، گاهی اوقات از متیلن کلرید استفاده می‌شود. با این حال، ظرفیت گرمایی زیاد آن سبب بازدهی کمتر این ماده می‌شود.

آب‌ (CO2)پفیده

استفاده از CO2 تولید شده توسط واکنش¬های ایزوسیانات-آب، بسیاری از الزامات زیست‌محیطی (بدون ODP یا GWP) (ODP (Ozone Depletion Potential) پتانسیل تخریب لایه ازون و GWP (Global Warming Potential) پتانسیل گرمایش زمین به عنوان دو عامل تهدیدکننده محیط زیست شناخته می‌شوند، مترجم)، بهداشت و ایمنی (بدون انتشار) و نیازهای اقتصادی صنایع حمل‌و‌نقل و بسته‌بندی جهانی را برآورده می‌کند. بنابراین تمرکز بیشتر بر توسعه
فرمول‌بندی‌ها و فناوری‌های تولید بر چالش‌های مرتبط با تمام اسفنج‌های آب‌پفیده، مانند پایداری، جریان‌پذیری و سختی غلبه می‌کند. این امر منجر به مطالعات متعددی برای درک سهم فرمول‌بندی و متغیرهای مختلف فراورش روی خواص نهایی و سپس توسعه فرمول‌بندی‌های جدید با استفاده از ایزوسیانات‌های جدید، پلی‌ال‌ها، یاریگرها، عوامل شبکه¬ای کننده، افزودنی‌ها و غیره شده است که بسیاری از این مطالعات مختص یک فرایند نظیر پخت گرم هستند؛ درحالی‌که برخی دیگر برای بسیاری از فرایندها کاربرد دارند. مطالعات در این زمینه، فرایندی مداوم است زیرا نیازمندی‌ها در حال گسترش هستند و به کاربرد هدفمند دقیق و فناوری ساخت بسیار خاص می‌انجامد. به عنوان مثال، سازندگان خودرو به طور مداوم خواهان بهبود راحتی و دوام صندلی هستند در حالی که بر کاهش وزن و هزینه تمرکز دارند. علاوه بر این، طیف محصولات ساخته شده با اسفنج PU همچنان در حال گسترش است. در قالب‌گیری گرم، پلی‌ال‌های هم‌بسپار و افزودنی‎های جدید جهت تولید طیف گسترده‌ای از اسفنج‌های بسیار نرم کم‌چگالی برای تکیه‌گاه‌های عقب خودرو، تا تحمل بار بالا، اسفنج‌های پرچگالی برای صندلی‌های جلو خودرو، در اندازه‌های مختلف، ضخامت‌ها و پیچیدگی‌های مختلف ایجاد شده‌اند. علاوه بر این، عوامل نرم‌کننده اسفنج جهت خنثا کردن اثر سخت شدگی ناشی از استفاده اضافی از آب و در عین حال حفظ فرایندپذیری و خواص فیزیکی در محدوده های مورد نیاز توسعه یافته‎اند. برای اسفنج HR بر پایه TDI، TDI اصلاح شده جدیدی توسعه یافته است که چگالی کم با نرمی خوب با پلی‌ال‌های استاندارد ایجاد می‎کند. نسل جدیدی از پلی‌ال‌های بسپاری، به نام POSTech بر پایه ذرات معلق پلی‌استایرن ساخته شده است که امکان تولید طیف وسیعی از اسفنج‌های HR بر پایه TDI را فراهم می‌کند. یکی دیگر از سری‌های جدید پلی‌ال‌ها ®Hyperlite است که در مقایسه با اسفنج استاندارد بهبود قابل توجهی را در خواص فیزیکی در کاربردهای صنعت خودروسازی نشان می‌دهد. دیگر پلی‌ال‌ها و پلی‌ال‌های هم‌بسپار با طراحی خاص، محدوده وسیع‌تری از چگالی و تنوع محصول را ایجاد کرده‌اند. یاریگرها و فعال‌کننده‌های سطح جدید وسعت فرایندها و خواص نهایی را بهبود بخشیده‌اند. برای اسفنج‌های HR بر پایه TDI/MDI، که به ویژه در ژاپن محبوب هستند، سامانه‌های پلی‌ال جدیدی با توزیع وزن مولکولی باریک و مقادیر کمتری از تک‌ال‌ها (monols) توسعه یافته‌اند. این پلی‌ال‌های جدید و دیگر پلی‌ال‌های جدید، دامنه محصول و وسعت تولید را افزایش می‌دهند. برای اسفنج HR بر پایه MDI، طیفی از محصولات و فناوری‌های جدید که عموما شامل
پیش‌بسپارهای ایزوسیانات جدید، پلی‌ال‌های ویژه و سایر افزودنی‌ها می‌شوند، توسعه یافته‌اند تا دامنه اسفنج‌های آب‌پفیده را گسترش دهند. این امر منجر به توانایی تولید قطعات پیچیده مانند سختی دوگانه (dual hardness این ویژگی به اسفنج کمک می‌کند تا انعطاف‌پذیری بیشتری را فراهم کند، مترجم)، اسفنج¬های پوشیده در پارچه (Foam-in-Fabric) صندلی‎های خودرو است. اسفنج HR اصلاح شده در برابر احتراق برای مبلمان، اسفنج HR برای کاربردهای اسفنج پوشیده در پارچه و اسفنج با قابلیت ارتجاعی کم برای میرایی ارتعاش، تنها نمونه‌هایی از طیف گسترده محصولات هستند. علاوه بر سامانه‌های تماما PU، بسیاری از ترکیبات جدید ایزوسیانات که تولیدکنندگان را قادر می‌سازد تا محدوده محصولات خود را گسترش دهند نیز توسعه یافته‌اند. پیشرفت‌های دیگر شامل سامانه¬های یاریگر‎ جدید برای اسفنج تماما HR آب‌پفیده، اسفنج HR پر شده با سولفات باریم (BaSO4) و اسفنج TDI/MDI HR است. علاوه بر این، افزودنی‌های بازکننده‎ی سلول، همراه با سامانه‌های یاریگر‎ جدید ایجاد شده‌اند که امکان تولید اسفنج قالب‌گیری شده کم‌چگالی، سختی کم و پخت سرد را فراهم می‌کنند. اسفنج قالب‌گیری شده برای کاربردهای بسته‌بندی از CO2 (آب) به عنوان تنها عامل پف‌زا استفاده می‌کند. چنین اسفنج‌هایی که عموما اسفنج بسته‌بندی درجا (pour-in-place packaging foam) نامیده می‌شوند، دارای محدوده چگالی حدود 35-5 کیلوگرم بر متر‎مکعب هستند و می‌توانند از نظر سختی به صورت نرم، نیمه سخت یا سخت باشند.

فناوری عامل پف‏‎زای CO2 افزوده (Added CO2 Blowing Technology)

افزودن CO2، مایع یا گاز، به عنوان یک عامل پف‌زای کمکی، برای کاهش چگالی اسفنج به میزان 10 تا 20 درصد در مقایسه با فرایندهای معمولی ساخت اسفنج عمدتا در فناوری¬های پخت سرد ارزیابی شده است. برای CO2 مایع، تجهیزاتی برای تزریق مستقیم به مخلوط، به یکی از اجزای واکنش‌دهنده قبل از اختلاط یا به مخزن پیمانه‌ای اجزای واکنش‌دهنده، توسعه یافته است Cannon فرایند خود را CannOxideTM نامیده و اختلاط ناپیوسته را برای مقادیر کمتر CO2 مایع (کمتر از 5/1 درصد در پلی ال) و اختلاط در خط به داخل پلی¬ال با استفاده از TriOxide مخصوص برای مقادیر بیشتر اختلاط توصیه می¬کند.
فرایند NovaFoamTMشرکت Hennecke از CO2 مایع استفاده می‌کند و می‌توان از آن برای ساخت قطعات پیچیده بزرگ با چگالی کمتر از 35 کیلوگرم بر متر مکعب استفاده کرد. فرایند Gusmer-Admiral ، CO2 مایع را مستقیما به مخلوط‌کن وارد می‌کند و از سامانه تخلیه فشار مناسب استفاده می‌کند تا جذب CO2 را به سلول‌های اسفنج به حداکثر برساند.
CO2 گازی شکل نیز به عنوان یک عامل پف‌زای کمکی استفاده شده است. به طور کلی در مخزن ناپیوسته اجزای واکنش دهنده، به ویژه ایزوسیانات، در فشار بالا مخلوط می‌شوند تا CO2 به صورت گاز محلول باقی بماند. با افزودن گاز CO2 و بازفرمول‌بندی مناسب، می‌توان وزن را تا 20 درصد کاهش داد و همچنان ویژگی‌های تحمل بار را حفظ کرد و مجموعه تراکم و خواص دینامیکی را بهبود بخشید. یک ایده جدید شامل CO2 گازی یا گازهای دیگر، مانند متیلن کلرید و هوا است که گاز را در پوسته‌ای شامل بسپاری با نقطه ذوب در بازه دمای واکنش محبوس می‌سازد.
استفاده از CO2 افزوده در کاربردهای قالب‌گیری به اندازه تختال گسترده نبوده که در درجه اول به دلیل تعداد بی‌شمار قطعات قالب‌گیری شده، پیچیدگی قطعات و نیازمندی¬های روزافزون عملکرد است.

فناوری‌های ساخت جایگزین

اسفنجی‎‌کردن تحت خلأ در داخل حفره قالب و در نتیجه حذف استفاده از عوامل پف‌زای کمکی به طور کلی توسط Hennecke ایجاد شده و VakuFormTM نامیده می‌شود. این نیاز به طراحی قالب خاصی دارد تا در خلأ کار کند و منجر به تولید قطعاتی با حداقل اشتعال می‌شود.

منبع:
S.N.Singh, “Blowing Agents for Polyurethane,Foams, Part 5: Blowing Agents for Low Density Flexible Foam”, RAPRA REVIEW REPORTS, Volume 12, Number 10, 22-27.