تمّ العثور على الفوم في مجموعة واسعة من التطبيقات حول العالم من توسيد مقاعد السيارات والأثاث إلى العزل في الجدران والأجهزة إلى نعال الأحذية والكعوب، تصنع رغوات الفوم عن طريق تكوين فقاعات غازية في خليط بلاستيكي أو مطاطي باستخدام عامل نفخ، تصنيع الرغوة هو إما عملية مستمرة لصنع صفح أو بلاطة أو عملية دفعية لصنع أشكال مختلفة عن طريق القطع أو التشكيل.
تاريخ صناعة الفوم:
هناك نوعان أساسيان من رغوة الفوم، وهي الرغويات المرنة لها هيكل خلية مفتوحة ويمكن إنتاجها بكثافة عالية ومنخفضة، تشمل التطبيقات توسيد الأثاث والسيارات والمراتب والوسائد وتقليم السيارات ونعال الأحذية، النوع الثاني الرغوة الصلبة وهي عبارة عن بوليمرات عالية الارتباط مع هيكل خلية مغلق يمنع حركة الغاز، تطبيقهم الرئيسي هو العزل للمباني والثلاجات والمجمدات ومركبات النقل المبردة.
في الأصل كان الفوم الرغوي مصنوع من اللاتكس الطبيعي، وهو نسغ أبيض ينتج من أشجار المطاط، في وقت مبكر من عام 500 قبل الميلاد استخدم المايا والأزتيك هذا اللاتكس لأغراض العزل المائي وقاموا أيضاً بتسخينه لصنع كرات اللعب، خلال أوائل القرن العشرين مُنحت أول براءة اختراع للفوم الصناعي وبعد عدة عقود تم اختراع عملية لإرغاء اللاتكس، تم تطوير عملية أخرى في عام 1937 لصنع الرغوات من المواد القائمة على الإيزوسيانات.
بعد الحرب العالمية الثانية حل فوم الستايرين بوتادين محل الرغوة الطبيعية، اليوم يعد البولي يوريثين أكثر المواد استخدام لمنتجات الرغوة، حيث تشكل البولي يوريثان الرغوي حالياً 90٪ بالوزن من إجمالي سوق البولي يوريثان، قدر استهلاك البولي يوريثين في الولايات المتحدة خلال عام 1997 بحوالي 4.8 مليار رطل، استهلكت كندا 460 مليون رطل، تعد صناعات البناء والنقل والأثاث والسجاد من أكبر مستخدمي البولي يوريثين، حيث يتصدر البناء والنقل بنسبة 27٪ و21٪ على التوالي.
يحدد التركيب الجزيئي والكمية ودرجة حرارة التفاعل لكل مكون الخصائص والاستخدام اللاحق لرغوة الفوم، لذلك يجب تصميم كل تركيبة بالمكونات المناسبة لتحقيق الخصائص المرغوبة للمادة النهائية، على سبيل المثال قد يتطلب التبديل في عامل النفخ زيادة في هذه المادة المضافة للحفاظ على الخصائص الحرارية، كما تتطلب زيادة كمية عامل النفخ الماء وتبديل في المواد الخافضة للتوتر السطحي للحفاظ على أحجام الفقاعات المثلى ومعدلات التكوين أثناء الرغوة.
مواد أولية لصناعة الفوم:
تتكون معظم أنواع الفوم من المواد الكيميائية التالية؛ 50٪ بوليول و40٪ بولي أيزوسيانات و10٪ ماء ومواد كيميائية أخرى، البولي أيزوسيانات والبوليولات عبارة عن بوليمرات سائلة تنتج عند دمجها مع الماء وتفاعل طارد للحرارة مكون البولي يوريثين، أكثر أنواع البولي أيزوسيانات شيوعاً هي ثنائي إيسوسيانات ثنائي فينيل إيثان (MDI) وثنائي أيزوسيانات التولوين (TDI).
البوليولات عبارة عن مونومرات هيدروجين نشطة تعتمد على بوليستر أو بولي إيثر أو مواد هيدروكربونية تحتوي على الأقل على ذرتين هيدروجين نشطين، سيحدد نوع البوليول المستخدم ما إذا كان الفوم المنتج مرن أم صلب، نظراً لأن معظم البوليولات تتفاعل فوراً مع الأيزوسيانات عند إضافتها معاً، فمن السهل دمج عمليات البلمرة والتشكيل في خطوة واحدة، كما ترتبط جزيئات (polyol وpolyisocyanate) معاً وتترابط معاً لتشكيل مادة ثلاثية الأبعاد.
كما يتم استخدام مجموعة واسعة من المواد المضافة، تعمل المحفزات كالقصدير والأمينات على تسريع التفاعل، مما يسمح بإنتاج كميات كبيرة، عوامل النفخ التي تشكل فقاعات غازية في خليط البلمرة مطلوبة لإنتاج الفوم، يمكن ضبط كمية النفخ عن طريق ضبط مستوى الماء، يُصنع الفوم المرن عادةً باستخدام ثاني أكسيد الكربون المتكون أثناء تفاعل الماء مع الإيزوسيانات.
يستخدم الفوم الصلب مركبات الكربون الهيدروكلورية فلورية (HCFCs) ومركبات الهيدروفلوروكربون (HfCs) والبنتانات كعوامل نفخ، تُستخدم المواد الخافضة للتوتر السطحي للتحكم في حجم الفقاعات وتشمل السيليكون والبولي إيثر والمواد المماثلة، تشمل الإضافات الأخرى التي يمكن استخدامها عوامل الربط المتقاطع وعوامل تمديد السلسلة والحشوات ومثبطات اللهب ومواد التلوين اعتماداً على التطبيق.
كيفية تصنيع الفوم:
تتراوح معدلات البلمرة لمعظم البولي يوريثين الصناعي من عدة ثواني إلى حوالي خمس دقائق، يمكن خلط التركيبات التي تتفاعل ببطء وتشكيلها يدوياً، ولكنها تتطلب أوقات دورات طويلة، توفر الأنظمة الأسرع أوقات دورات أقصر ولكن يجب أن تستخدم آلات للخلط، تتم معالجة تركيبات البولي يوريثين بشكل عام في مجموعة واسعة من المنتجات عن طريق الصب التفاعلي أو الرش أو تقنيات الصب المفتوح.
الإعداد المادي:
يتم تسليم المواد الكيميائية السائلة إما عن طريق عربات صهاريج السكك الحديدية أو شاحنات صهريجية، ويتم ضخها في صهاريج تخزين كبيرة، من هناك يتم ضخ المواد الكيميائية في خزانات خلط ساخنة أصغر ويتم الاحتفاظ بها منفصلة إذا تفاعلت مع بعضها البعض، من أجل التصنيع المستمر للفوم مثل بلاطة يتم استخدام أكثر من مجري مونومر بشكل نمطي.
الاستغناء المستمر يستخدم في إنتاج فوم صلب ومرن منخفض الكثافة، يتم تغذية كمية محددة من كل مادة كيميائية تقاس بمضخات مقننة من صهاريج الخلط إلى رأس الخلط، حيث يتم مزج المواد الكيميائية، تُسكب المكونات التفاعلية على سطح متحرك أو حزام ناقل، حيث ترتفع الرغوة وتعالج لتشكل كتلة بلاطة.
القطع والمعالجة:
عندما تتحرك الرغوة نحو نهاية الحزام الناقل يتم تقطيعها تلقائياً بواسطة المنشار الحزامي الأفقي إلى قطع أصغر، بعد القطع تتم معالجة الأجزاء الرغوية في درجة حرارة الغرفة لمدة 12 ساعة أو أكثر، فهي ليست مكدسة لأنها ليست ثابتة بما يكفي لتحمل أي وزن، بعد المعالجة يقوم المنشار الحزامي الأوتوماتيكي الثاني بتقطيع الأقسام بالسماكة المطلوبة، يمكن أيضاً قص الأشكال الأخرى.
عمليات التشكيل الأخرى:
يتم استخدام عملية التصفيح المستمر لتشكيل ألواح عازلة من صفائح رغوية صلبة تُعرف باسم (boardstock)، لعزل الأجهزة يتم حقن المواد الكيميائية السائلة بينهما يتم الاستغناء عن المواد الكيميائية بطريقة مستمرة تسمى الصب المفتوح أو الارتفاع الحر، بمجرد مزجها تُسكب المكونات التفاعلية على سير ناقل، حيث ترتفع الرغوة وتعالج لتشكل كتلة بلاطة، بعد ذلك يتم نقل كتلة الألواح من خلال سلسلة من المناشير الحزامية الأوتوماتيكية التي تقطع لوح اللوح إلى عروض وسمك مسبقة القياس.
يتم الاستغناء عن المواد الكيميائية بطريقة مستمرة تسمى الصب المفتوح أو الارتفاع الحر، بمجرد الخلط تُسكب المكونات التفاعلية على سير ناقل، حيث ترتفع الرغوة وتعالج لتشكل كتلة بلاطة، بعد ذلك يتم نقل كتلة الألواح من خلال سلسلة من المناشير الحزامية الأوتوماتيكية التي تقطع لوح اللوح إلى عروض وسمك مسبقة القياس.
