5.4.2 - Estabilidade dimensional
Nas espumas com células abertas, não existe diferença da pressão dos gases dentro e fora das células e as mudanças dimensionais são devidas à estrutura polimérica. Nas espumas rígidas as paredes das células fechadas impedem a equalização da pressão. Como conseqüência pode ocorrer variações dimensionais se a estrutura polimérica não for suficientemente resistente à variação da pressão. Este fenômeno afeta a estabilidade térmica dimensional das espumas com células fechadas. As mudanças dimensionais são dependentes da geometria das células e as células alongadas são mais resistentes no sentido do eixo maior. O teste de estabilidade térmica dimensional (Capítulo 8) (ISO 2796 - EN 1603 e 1604 - ASTM D2126-99 - DIN 53 431) é um dos mais importantes, para as espumas de baixa densidade, e consiste em submeter à tensão, em todas as direções, um bloco padrão de espuma, por um determinado período de tempo, sob diferentes temperaturas, nas quais, variará a pressão do gás retido nas células. Se a estrutura celular não for suficientemente forte, a espuma deformará devido à pressão. Em baixas temperaturas, como -20ºC, o agente de expansão auxiliar (AEA) estará praticamente todo condensado, aumentando a diferença de pressão entre o interior da célula fechada e a atmosfera, porém, neste caso, esta diferença é parcialmente compensada, pelo aumento da rigidez da espuma pela redução da temperatura. Normalmente, o calor não causa muita expansão, por causa da baixa pressão inicial do gás dentro da célula, todavia, sob temperaturas acima de 100ºC, por longos períodos, é possível que a expansão diminua devido a dano à parede da célula, o que possibilita a saída de gás.
Envelhecimento - A pressão do gás nas células fechadas não é função só da temperatura, e mudanças com o tempo, podem ocorrer, devido à difusão dos gases. Por exemplo, nas espumas fabricadas com gás carbônico usado como AEA (Capítulo 2), o gás carbônico formado durante a espumação, escapa mais rapidamente devido a sua alta solubilidade na estrutura da parede da célula fechada do PU. A pressão dentro da célula pode cair a menos de 0,5 bar e pode ocorrer encolhimento da espuma.Após um período de dias ou semanas o ar difunde para o interior da célula, e neste estágio a pressão pode se tornar maior que a atmosférica (> 1,5 bar). Um efeito oposto pode ocorrer no teste de envelhecimento com vapor d'água, quando ocorre inchação da espuma devido ao aumento da pressão causado pela infusão do vapor d'água nas células. Outro fator que pode afetar a estabilidade dimensional da espuma rígida é a condensação do agente de expansão. Quando se usa o HCFC-141b os problemas de estabilidade dimensional são devidos ao efeito plastificante deste agente de expansão. Normalmente, o problema da estabilidade dimensional é contornado com o aumento da densidade da espuma, e devido às razões expostas, a estabilidade dimensional deve ser observada durante longos períodos de tempo.
A baixa condutividade térmica (Capítulo 8) (ISO 8302 - EN 12667 - ASTM 177 - DIN 52612) das espumas rígidas de poliuretano resulta da sua baixa densidade e da sua estrutura de células pequenas e fechadas, cheias com agentes de expansão auxiliares (AEAs) como os CFC's, CO2, HCFC's, pentanos, HFC's, etc. A condutividade térmica final de uma espuma (ou fator K) é determinada em função das contribuições devidas à: convecção; radiação; condutividade térmica do gás e do polímero; e densidade da espuma (Figura 5.7). A curva do fator K em função da densidade mostra um mínimo em torno de 30 a 50 kg/m3, o qual pode ser explicado em termos do balanço entre a condução do calor por radiação na fase gás e pelo esqueleto polimérico.
A condutividade térmica devido à convecção é pequena e pode ser desprezada. A condutividade por radiação, só necessita ser levada em consideração em densidades menores que 30 kg/m3, devido as paredes das células serem muito finas. A estrutura das células tem grande influência, e a contribuição da radiação diminui com o aumento do número de células por unidade de volume e o fator K também decresce. Deste modo, fica evidente que a redução do tamanho das células é uma forma de diminuir o fator K. Uma típica espuma rígida de PU, com densidade de 32 kg/m3, consiste de 3% de polímero e 97% de gás (% em volume) retido nas células fechadas da espuma, e a natureza química do PU tem pouca influência, na condutividade térmica. Em densidades maiores a condutividade pelo PU, torna-se mais significativa o que explica a elevação do fator K. Na faixa de densidade das espumas de PU utilizadas em isolamento térmico (30 a 60 kg/m3), a transmissão de calor através da fase sólida polimérica é cerca de 30%.
A condutividade térmica do gás contribui com cerca de 40% do total do fator K, e numa espuma bem formulada se situa cerca de 7 cal/m.hr.ºC, acima da condutividade térmica do AEA utilizado. Este fato ressalta a importância da utilização de AEAs (Figura 5.8) com baixa condutividade térmica. Além disso, os AEAs devem permitir a formação das células fechadas; ter baixa solubilidade na matrix polimérica e boa solubilidade na mistura reagente; e apresentar pouca tendência a difundir através das membranas das células. Em geral a conditividade térmica do gás diminui com o aumento do peso moelcular, mas aumenta com o aumento da temperatura. A fase gasosa dentro da célula fechada é composta por diferentes AEAs
Envelhecimento - Espumas rígidas de PU, de baixa densidade, quando expostas ao ar mostram um aumento na condutividade térmica, devido à permeabilidade das paredes celulares, que permitem a saída do AEA e a entrada do ar. O gás carbônico difunde relativamente mais rápido através das paredes celulares do PU, e esta propriedade tem influência no fator K da fase gasosa, e no perfil de variação da condutibilidade térmica da espuma com o tempo. Cálculos teóricos para composições variando de 100% de CFC 11 até 100% de CO2, mostram que até uma proporção de 50% , a difusão do CO2 é desprezível. Em altos teores de gás carbônico o efeito pulmão do CFC, não é predominante e a variação do fator K é determinada pela troca do CO2 pelo ar. Uma outra conseqüência da saída mais rápida do gás carbônico que a entrada de ar na célula é a diminuição da pressão interna nas células fechadas com efeitos na estabilidade dimensional da espuma. O processo de envelhecimento é acelarado pela temperatura, e a 70ºC a entrada de ar aumenta de 6 a 12 vezes, em relação a temperatura ambiente. Todavia, a experiência mostra que espumas analisadas após 20 anos de uso tiveram um aumento da condutividade térmica muito menor que o previsto, e para muitos PUs a perda de AEA é desprezível, durante o tempo de uso do produto. Faces semi permeáveis como papel ou betumem podem retardar o envelhecimento, enquanto as impermeáveis como ferro, alumínio, e sistemas multi-camadas podem evitá-lo. Para muitas aplicações como em isolamento térmicos de refrigeradores, etc, a condutividade térmica não é especificada diretamente, mas contruibuem para parâmentros como o consumo de energia. Em outras aplicações como pranchas e painéis com estruturas sanduíche, a condutividade térmica deve ser declarada e é atrativo comercial. Em geral o valor da condutividade térmica envelhecida deve ser declarado e não o inicial, e métodos para a obtenção variam de acordo com o país, e incluem envelhecimento em temperaturas elevadas, envelhecimento da fatias finas, etc.
Da mesma forma que outros materiais usados em construção como a madeira, as espumas rígidas de PU são inflamáveis, todavia, devem atender as diferentes normas de segurança (DIN 4102 - NBR 15366-2). Os fatores que afetam as características inflamáveis da espuma são: a quantidade de material orgânico oxidável; a presença de estruturas resistentes ao calor; as estruturas que formam esqueleto carbonizado quando queimadas prevenindo ou retardando a propagação do fogo; e a adição de retardantes de chama. Os retardantes de chama (Capítulo 2) são bastante utilizados, devido ao grande uso das espumas rígidas na construção civil. Outra forma de redução da combustão é a introdução de estruturas aromáticas como as de polisocianurato na cadeia macromolecular. Em testes de flamabilidade, as espumas rígidas de poliuretano (PUR) e polisocianurato (PIR) (Capítulo 5.2.2) feitas com polióis aromáticos, formam uma estrutura carbonizada com encolhimento mínimo e retenção de peso que reduz ou elimina a necessidade de uso dos retardantes de chama. As PURs e PIRs são termorrígidas e não formam gotas incandescentes como os materiais termoplásticos, prevenindo desta forma a propagação do fogo.
5.4.5 - Espumas com células abertas
Espumas rígidas com células abertas podem ser produzidas com surfactantes especiais, ou com pressões internas extremas que rompem as membranas da células durante a espumação. Elas encontram uso em embalagens e no recheio de painéis bastante eficientes, com estrutura sanduíche e isolados a vácuo. Estes painéis são mantidos sob baixas pressões sendo encapsulados com uma membrana impermeável, normalmente folhas de alumínio. Espumas com células fechadas não devem ser usadas, pois os gases das células irão difundir e equalizar a pressão afetando o vácuo. Além disso, produtos voláteis presentes na espumas também tem efeito danoso, e devem ser elimidados.
5.5 - Processos de fabricação das espumas rígidas