Badanie piany
Jakość pian poliuretanowych (PU) zależy od tego, w jaki sposób są one formowane. W związku z tym tak ważne jest rejestrowanie parametrów tworzenia się piany przy użyciu odpowiednich narzędzie pomiarowych i sprawdzanie regularności produkcji na podstawie reprezentatywnych próbek. Zapewnienie odpowiedniej jakości produkcji polega na mierzeniu odpowiednich parametrów próbek danego produktu w odniesieniu do beiżącego procesu produkcji i porównywaniu ich z przyjętymi standardowymi, do których odnoszą się krzywe główne (wzorcowe). Wiele firm z branży motoryzacyjnej, które specjalizują się w produkcji elementów wyposażenia samochodów, stosuje tą metodę przy bieżącej produkcji. W celu kontroli jakości produkcji metody te stosuja także firmy działające w branży meblarskiej, jak również producenci materiałów izolacyjnych w branży budowlanej. Dzięki użyciu systemu mierzenia piany można w łatwy sposób przeanalizować wpływ modyfikowania jej składu na właściwości, którymi będzie się wyróżniała. Podobnie można zbadać również wpływ środków porotwórczych, stabilizatorów i długości czasu mieszania. System FOAMAT® spełnia wysokie wymagania zarówno wobec dokładności pomiaru, jak i różnorodności produktów, które mogą być dzięki niemu badane.

Wysokość Wzrostu i Pomiar Profilu Wzrostu
Klasyczną metodą charakterystyki pian jest określenie ich wysokości wzrostu lub profilu wzrostu, polegające na analizowaniu zmiany wysokości rosnącej próbki piany w zbiorniku, pudełku kartonowym lub zbiorniku cylindrycznym. jako czas startu przyjmuje się moment rozpoczęcia reakcji pomiędzy komponentami A (poliol + dodatki) i B (izocyjanian) po ich zmieszaniu. Czas wzrostu to czas, który liczony jest do momentu osiągnięcia max. wzrostu. Chroniony prawami autorskimi czujnik ultradźwiękowy PFT systemu FOAMAT® (Rys. 1, 2) może być z powodzeniem używany do wszystkich typów pian, łącznie z pianami sztywnymi uwalniającymi duże ilości ciepła. Profil wzrostu piany jest tak cennym elementem charakterystyki, jak odcisk linii papilarnych u człowieka. W czasie przeprowadzania kontroli jakości, profil wzrostu porównywany jest z krzywą wzorcową (Rys. 3), która  jest tworzona z uwzględnieniem założonych tolerancji profilu wzrostu. Przeprowadzone za jej pomocą porównanie pozwala na ocenę, czy badana próbka spełnia założone wymagania kontroli jakości. Pomiar wysokości wzrostu jest w dalszym ciągu najbardziej rozpowszechnioną formą badania pian. System FOAMAT® stwarza możliwość użycia nowych technik badania, które dostarczają większej ilości bardziej szczegółowych informacji opisujących proces generowania się piany.

Rys. 2. Chroniony prawami autorskimi czujnik ultradźwiękowy PFT, który wentyluje powierzchnię rosnącej piany.

Rys. 3. Dane doświadczalne dotyczące wysokości wzrostu, temperatury, ciśnienia wzrostu, polaryzacji dielektrycznej i utraty masy są zapisywane przez oprogramowanie FOAM w trybie ciągłym i przedstawiane są w postaci wykresu. Rysunek przedstawia krzywe dla pian średnio-sztywnych badanych za pomocą FOAMAT i FPM/CMD2.

Temperatura reakcji
Egzotermiczna reakcja sieciowania powoduje wzrostu temperatury w próbce piany. Do pomiaru temperatury wewnątrz piany wykorzystuje się cienki termoelement, który ze względu na niską pojemnośc cieplną i łatwość obsługi nadaje się do tego idealnie. Czujnik pomiaru temperatury nie wpływa na proces reakcji i może być używany wielokrotnie.
top.

Pomiar ciśnienia piany
Ciśnienie wytwarza się już od momentu połączenia składników. Rozprzestrzenianie się piany oraz uwalnianie się czynników spieniających ograniczane jest przez stabilne ściany komórkowe. W ten sposób elementy ścianek, paneli lub blach są naciskane pod odpowiednim kątem zgodnym z poruszającą się pianą. Jeżeli w procesie powstawania piany występują bardzo duże siły, wówczas ściany naczynia procesowego powinny być dodatkowo wzmocnione. Występujące siły mierzone są jako ciśnienie wzrostu, ponieważ ciśnienie miejscowe występujące wewnątrz piany jest zależne od wysokości wzrostu piany. Ciśnienie wzrostu mierzone jest za pomocą urządzenia FPM (ang. Foam Pressure Measurement), które jest chronione prawami autorskimi. FPM zastępuje wówczas typowe zbiorniki testowe. Podczas gdy krzywe wzrostu odzwierciedlają dynamikę powstawania środków porotwórczych, ciśnienie wzrostu odzwierciedla właściwości komórek, których dotyczy reakcja polimeryzacji. Pomiar ciśnienia może dostarczyć ważnych informacji odnośnie wpływu katalizatorów i stabilizatorów na ustaloną reakcję. W odniesieniu do celów produkcyjnych, krzywa ciśnienia może służyć do określenia punktu żelowania i ubytku ciśnienia, które wskazuje kiedy forma może zostać otwarta. W czasie swobodnego rozprzestrzeniania się piany w górę, kiedy mierzone jest ciśnienie, czujnik ultradźwiękowy PFT może jednocześnie dokonywać pomiarów wysokości wzrostu.

Rys. 4. FPM 2 na podstawce Foam Qualification System FOAMAT®.

Określanie lepkości
Główną zaletą pomiaru ciśnienia za pomocą FPM jest możliwość jednoczesnego liczenia lepkości na podstawie danych dostarczanych przez FOAMAT®, przy wykorzystaniu modelu lepkości Hagena-Poisseuille’a. Zakłada się, że lepkość określana jest przez siły niezbędne do przemieszczenia, z określoną prędkością, podłużnego elementu piany poza tubę, w tym przypadku poza FPM. Siły reakcji uzyskiwane są bezpośrednio z ciśnienia wzrostu. Pochodzące z FPM dane dotyczące ciśnienia oraz krzywa wysokości wzrostu pozwalają na liczenie lepkości względem czasu. Dane odnośnie lepkości to dla producentów dodatkowy parametr, który pozwala zoptymalizować proces kontroli produkcji pian.

Pomiar polaryzacji dielektrycznej
Polaryzacja dielektryczna parametr, którego pomiaru pozwala na wgląd w procesy elektrochemiczne, które występują w czasie tworzenia się piany. Polaryzacja dielektryczna ustalana jest zasadniczo przez cząsteczki łańcuchowe z dużym momentem dipolowym (OH, NCO). Formowanie się łańcuchów poprzedzone jest reakcją sieciowania, która powstrzymuje zdolność poruszania się dipoli.
Czujnik polaryzacji dielektrycznej CMD (Curing Monitor Device) znajduje się w dolnej części FPM (Rys. 5). Polaryzacja dielektryczna przedstawia tworzenie się półproduktów, takich jak polimocznika. Pokazuje też końcowe sieciowanie piany i daje stały sygnał, kiedy kończy się reakcja chemiczna. Czujnik CMD połączony jest z urządzeniem pomiaru ciśnienia FPM. W celu zaimprowizowania warunków produkcyjnych w formie, czujnik CMD może być podgrzewany za pomocą sterowanego układu zamkniętego.

Rys. 5. Czujnik CMD, który zintegrowany jest w urządzeniu FPM, służy do jednoczesnego pomiaru polaryzacji dielektrycznej i ciśnienia wzrostu próbki piany. Po prawej: przykład piany w cylindrze kartonowym.

Zaawansowany Zbiornik Testowy (ATC)
Nieokreślone zbiorniki testowe mogą ze względu na temperaturę zniekształcać zależność pomiędzy wynikami badań a warunkami, w których odbywa się produkcja. Reakcja i sieciowanie pian typu PIR wymaga zewnętrznego i odpowiedniego ogrzewania. W przeciwnym wypadku mieszanina może pozostać kleista a wewnątrz mogą powstawać pęcherze powietrza.  Aby temu zaradzić, Format Messtechnik GmbH proponuje Zaawansowany Zbiornik Testowy ATC (Rys. 6). Kolejną zaletą zbiornika, który pozwala na kontrolę temperatury, jest większa powtarzalność pomiarów.

Rys. 6. Zaawansowany Zbiornik Testowy ATC pozwala na kontrolę temperatury i zapewnia większą powtarzalność pomiarów.

Konfiguracja Zbiornika na Pianę
Układ konfiguracji zbiornika składa się ze zbiornika BFC 200, zestawu mechanicznego i termoelementu. Taka konfiguracja pozwala na pomiar wysokości wzrostu i temperatury wewnątrz próbki piany. Zbiornik BFC 200 ma kształt sześcianu o krawędzi 200mm, a jego ściany są zrobione z materiału Pertinax. Łatwy dostęp do gotowej próbki umożliwiają 2 ścianki, które dzięki wyposażeniu je w zawiasy, umożliwiają ich odchylanie. Uchwyt termoelementu zamocowany jest na górnej krawędzi zbiornika BFC 200. Wewnątrz uchwytu i pod kątem ok. 45 stopni, znajduje się otwór, który pozwala umieścić termoelement wewnątrz piany. Wydłużony zestaw mechaniczny jest większy od standardowego i wyposażony jest w drugie naczynie testowe, które obraca się w prawą stronę stanowiska.

Rys. 7. Zbiornik BFC 200 znajdujący się na podstawce wydłużonego zestawu mechanicznego. Termoelement umieszczany jest wewnątrz próbki piany.

Integracja Wagi
W celu osiągnięcia powtarzalności badań, składniki reakcji powinny być dokładnie odważane. Mimo starań użytkownika, część komponentu może pozostawać na brzegach naczynia, lub na mieszadle, co z kolei prowadzi do braku dokładności masy piany. Zintegrowanie wagi laboratoryjnej w systemie FOAMAT® (Rys. 7) pozwala na automatyczne rejestrowanie masy komponentów w dokumentacji obejmującej daną partię. Dodatkowo, pozwala na zapisywanie ubytku masy, związanego z uwalnianiem czynników pianotwórczych lub lotnych. Kolejną zaletą zintegrowanej wagi jest określanie gęstości piany na podstawie masy gotowej próbki.

Rys. 8. W celu pomiaru ubytku masy, zbiornik testowy umieszczany jest na wadze laboratoryjnej wyposażonej w seryjny interfejs.

Konfiguracja Systemu
Kompletny System Kwalifikacji Pian FOAMAT® wraz z jego peryferiami został przedstawiony na Rys. 8. Praca mieszalnika kontrolowana jest przez oprogramowanie FOAM, zgodnie z danymi wprowadzonymi przez użytkownika. Jednostka sterująca i waga podłączone są bezpośrednio do komputera PC. Przełącznik nożny (pedał) używany jest do rozpoczęcia cyklu pomiaru i obsługi mieszalnika w trybie off-line.

Rys. 9. Przegląd Systemu Kwalifikacji Pian FOAMAT i jego urządzenia peryferyjne.