Development of fire-resistant (B1 & B2) winter 1 KPU foams applied by gun or straw adapter and optimization of a gun applied winter 1 KPU foam

A realização do presente trabalho teve como principais objectivos o desenvolvimento de espumas de poliuretano de um componente com propriedades de resistência à chama superiores (B1 & B2), aplicadas por pistola ou por adaptador/tubo e a optimização de uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola. Todo o trabalho desenvolvido está dividido em dois projectos distintos: i. O primeiro projecto consistiu em desenvolver espumas de um componente com propriedades de resistência à chama (classificadas como B1 e B2 de acordo com a norma alemã DIN 4102), aplicadas por pistola (GWB1 e GWB2) ou por adaptador/tubo (AWB), utilizando polióis poliésteres aromáticos modificados e aditivos retardantes de chama halogenados. Estas espumas deveriam apresentar também propriedades aceitáveis a baixas temperaturas. Após realizar várias formulações foi possível desenvolver uma espuma AWB2 com apenas 3,3% de poliol poliéster no pré-polímero e com propriedades equivalentes às da melhor espuma comercial mesmo a 5/-10 (temperatura da lata/cura da espuma em °C) e também com uma altura de chama de apenas 11 cm. A partir de duas formulações (AWB2) que passaram o Teste B2, foram obtidas também, uma espuma GWB2 e outra GWB1 com propriedades equivalentes às da melhor espuma da concorrência a -10/-10 e a 23/5, respectivamente, embora não tenham sido submetidas ao teste B2 e B1 após as modificações efectuadas. ii. O segundo projecto consistiu em optimizar uma espuma de poliuretano de um componente de inverno aplicada por pistola (GWB3). A espuma inicial tinha problemas de glass bubbles quando esta era dispensada a partir de uma lata cheia, sendo necessário ultrapassar este problema. Este problema foi resolvido diminuindo a razão de GPL/DME através do aumento da percentagem em volume de DME no pré-polímero para 14% no entanto, a estabilidade dimensional piorou um pouco. O reagente FCA 400 foi removido da formulação anterior (6925) numa tentativa de diminuir o custo da espuma, obtendo-se uma espuma aceitável a 23/23 e a 5/5, com uma redução de 4% no custo da produção e com uma redução de 5,5% no custo por litro de espuma dispensada, quando comparada com a sua antecessora. Por último, foi avaliada a influência da concentração de diferentes surfactantes na formulação 6925, verificando-se o melhoramento da estrutura celular da espuma para concentrções mais elevadas de surfactante, sendo este efeito mais notório a temperaturas mais baixas (5/5). Dos surfactantes estudados, o B 8871 mostrou o melhor desempenho a 5/5 com a concentração mais baixa, sendo portanto o melhor surfactante, enquanto o Struksilon 8003 demonstrou ser o menos adequado para esta formulação específica, apresentando piores resultados globais. Pode-se ainda acrescentar que os surfactantes L-5351, L-5352 e B 8526 também não são adequados para esta formulação uma vez que as espumas resultantes apresentam cell collapse, especialmente a 5/5. No caso dos surfactantes L-5351 e L-5352, esta propriedade piora com concentrações mais elevadas. Em cada projecto foram também efectuados testes de benchmark em determinadas espumas comerciais com o principal objectivo de comparar todos os resultados das espumas desenvolvidas, em ambos os projectos, com espumas da concorrência.

Influence of LPG composition on straw applied one componente PU winter foam

O principal objectivo desta tese é obter uma relação directa entre a composição dos gases liquefeitos de petróleo (GLP), propano, n-butano e isobutano, usados como aerossóis propulsores numa lata de poliuretano de um componente, com as propriedades das espumas produzidas por spray. As espumas obtidas, terão de ter como requisito principal, um bom desempenho a temperaturas baixas, -10ºC, sendo por isso designadas por espumas de Inverno. Uma espuma é considerada como tendo um bom desempenho se não apresentar a -10/-10ºC (temperatura lata/ spray) glass bubbles, base holes e cell collapse. As espumas deverão ainda ter densidades do spray no molde a +23/+23ºC abaixo dos 30 g/L, um rendimento superior a 30 L, boa estabilidade dimensional e um caudal de espuma a +5/+5ºC superior a 5 g/s. Os ensaios experimentais foram realizados a +23/+23ºC, +5/+5ºC e a -10/-10ºC. A cada temperatura, as espumas desenvolvidas, foram submetidas a testes que permitiram determinar a sua qualidade. Testes esses que incluem os designados por Quick Tests (QT): o spray no papel e no molde das espumas nas referidas temperaturas. As amostras do papel e no molde são especialmente analisadas, quanto, às glass bubbles, cell collapse, base holes, cell structur e, cutting shrinkage, para além de outras propriedades. Os QT também incluem a análise da densidade no molde (ODM) e o estudo do caudal de espumas. Além dos QT foram realizados os testes da estabilidade dimensional das espumas, testes físicos de compressão e adesão, testes de expansão das espumas após spray e do rendimento por lata de espuma. Em todos os ensaios foi utilizado um tubo adaptador colocado na válvula da lata como método de spray e ainda mantida constante a proporção das matérias-primas (excepto os gases, em estudo). As experiências iniciaram-se com o estudo de GLPs presentes no mercado de aerossóis. Estes resultaram que o GLP: propano/ n-butano/ isobutano: (30/ 0/ 70 w/w%), produz as melhores espumas de inverno a -10/-10ºC, reduzindo desta forma as glass bubbles, base holes e o cell collapse produzido pelos restantes GLP usados como aerossóis nas latas de poliuretano. Testes posteriores tiveram como objectivo estudar a influência directa de cada gás, propano, n-butano e isobutano nas espumas. Para tal, foram usadas duas referências do estudo com GLP comercializáveis, 7396 (30 /0 /70 w/w %) e 7442 (0/ 0/ 100 w/w %). Com estes resultados concluí-se que o n-butano produz más propriedades nas espumas a -10/- 10ºC, formando grandes quantidades de glass bubbles, base holes e cell collapse. Contudo, o uso de propano reduz essas glass bubbles, mas em contrapartida, forma cell collapse.Isobutano, porém diminui o cell collapse mas não as glass bubbles. Dos resultados experimentais podemos constatar que o caudal a +5/+5ºC e densidade das espumas a +23/+23ºC, são influenciados pela composição do GLP. O propano e n-butano aumentam o caudal de espuma das latas e a sua densidade, ao contrário com o que acontece com o isobutano. Todavia, pelos resultados obtidos, o isobutano proporciona os melhores rendimentos de espumas por lata. Podemos concluir que os GLPs que contivessem cerca de 30 w/w % de propano (bons caudais a +5/+5ºC e menos glass bubbles a -10/-10ºC), e cerca 70 w/w % de isobutano (bons rendimentos de espumas, bem como menos cell collapse a -10/-10ºC) produziam as melhores espumas. Também foram desenvolvidos testes sobre a influência da quantidade de gás GLP presente numa lata. A análise do volume de GLP usado, foi realizada com base na melhor espuma obtida nos estudos anteriores, 7396, com um GLP (30 / 0/ 70 w/w%), e foram feitas alterações ao seu volume gás GLP presente no pré-polímero. O estudo concluiu, que o aumento do volume pode diminuir a densidade das espumas, e o seu decréscimo, um aumento da densidade. Também indico u que um mau ajuste do volume poderá causar más propriedades nas espumas. A análise económica, concluiu que o custo das espumas com mais GLP nas suas formulações, reduz-se em cerca de 3%, a quando de um aumento do volume de GLP no pré-polímero de cerca de 8 %. Esta diminuição de custos deveu-se ao facto, de um aumento de volume de gás, implicar uma diminuição na quantidade das restantes matérias-primas, com custos superiores, já que o volume útil total da lata terá de ser sempre mantido nos 750 mL. Com o objectivo de melhorar a qualidade da espuma 7396 (30/0/70 w/w %) obtida nos ensaios anteriores adicionou-se à formulação 7396 o HFC-152a (1,1-di fluoroetano). Os resultados demonstram que se formam espumas com más propriedades, especialmente a -10/-10ºC, contudo proporcionou excelentes shaking rate da lata. Através de uma pequena análise de custos não é aconselhável o seu uso pelos resultados obtidos, não proporcionando um balanço custo/benefício favorável. As três melhores espumas obtidas de todos os estudos foram comparadas com uma espuma de inverno presente no mercado. 7396 e 7638 com um volume de 27 % no prépolímero e uma composição de GLP (30/ 0 / 70 w/w%) e (13,7/ 0/ 86,3 w/w%), respectivamente, e 7690, com 37 % de volume no pré-polímero e GLP (30/ 0 / 70 w/w%), apresentaram em geral melhores resultados, comparando com a espuma benchmark . Contudo, os seus shaking rate a -10/-10ºC, de cada espuma, apresentaram valores bastante inferiores à composição benchmarking.

Simulation of defects in bubble clusters

Topological defects in foam, either isolated (disclinations and dislocations) or in pairs, affect the energy and stress, and play an important role in foam deformation. Surface Evolver simulations were performed on large finite clusters of bubbles. These allow us to evaluate the effect of the topology of the defects, and the distance between defects, on the energy and pressure of foam clusters of different sizes. The energy of such defects follows trends similar to known analytical results for a continuous medium.

Contact angle of a hemispherical bubble: An analytical approach

We have calculated the equilibrium shape of the axially symmetric Plateau border along which a spherical bubble contacts a flat wall, by analytically integrating Laplace's equation in the presence of gravity, in the limit of small Plateau border sizes. This method has the advantage that it provides closed-form expressions for the positions and orientations of the Plateau border surfaces. Results are in very good overall agreement with those obtained from a numerical solution procedure, and are consistent with experimental data. In particular we find that the effect of gravity on Plateau border shape is relatively small for typical bubble sizes, leading to a widening of the Plateau border for sessile bubbles and to a narrowing for pendant bubbles. The contact angle of the bubble is found to depend even more weakly on gravity. (C) 2009 Elsevier Inc. All rights reserved.

Cyclic deformation of bidisperse two-dimensional foams

In-plane deformation of foams was studied experimentally by subjecting bidisperse foams to cycles of traction and compression at a prescribed rate. Each foam contained bubbles of two sizes with given area ratio and one of three initial arrangements: sorted perpendicular to the axis of deformation (iso-strain), sorted parallel to the axis of deformation (iso-stress), or randomly mixed. Image analysis was used to measure the characteristics of the foams, including the number of edges separating small from large bubbles N-sl, the perimeter (surface energy), the distribution of the number of sides of the bubbles, and the topological disorder mu(2)(N). Foams that were initially mixed were found to remain mixed after the deformation. The response of sorted foams, however, depended on the initial geometry, including the area fraction of small bubbles and the total number of bubbles. For a given experiment we found that (i) the perimeter of a sorted foam varied little; (ii) each foam tended towards a mixed state, measured through the saturation of N-sl; and (iii) the topological disorder mu(2)(N) increased up to an "equilibrium" value. The results of different experiments showed that (i) the change in disorder, Delta mu(2)(N), decreased with the area fraction of small bubbles under iso-strain, but was independent of it under iso-stress; and (ii) Delta mu(2)(N) increased with Delta N-sl under iso-strain, but was again independent of it under iso-stress. We offer explanations for these effects in terms of elementary topological processes induced by the deformations that occur at the bubble scale.

Effect of the number of shells on the pressure and energy of two-dimensional free bubble clusters

We have performed Surface Evolver simulations of two-dimensional hexagonal bubble clusters consisting of a central bubble of area lambda surrounded by s shells or layers of bubbles of unit area. Clusters of up to twenty layers have been simulated, with lambda varying between 0.01 and 100. In monodisperse clusters (i.e., for lambda = 1) [M.A. Fortes, F Morgan, M. Fatima Vaz, Philos. Mag. Lett. 87 (2007) 561] both the average pressure of the entire Cluster and the pressure in the central bubble are decreasing functions of s and approach 0.9306 for very large s, which is the pressure in a bubble of an infinite monodisperse honeycomb foam. Here we address the effect of changing the central bubble area lambda. For small lambda the pressure in the central bubble and the average pressure were both found to decrease with s, as in monodisperse clusters. However, for large,, the pressure in the central bubble and the average pressure increase with s. The average pressure of large clusters was found to be independent of lambda and to approach 0.9306 asymptotically. We have also determined the cluster surface energies given by the equation of equilibrium for the total energy in terms of the area and the pressure in each bubble. When the pressures in the bubbles are not available, an approximate equation derived by Vaz et al. [M. Fatima Vaz, M.A. Fortes, F. Graner, Philos. Mag. Lett. 82 (2002) 575] was shown to provide good estimations for the cluster energy provided the bubble area distribution is narrow. This approach does not take cluster topology into account. Using this approximate equation, we find a good correlation between Surface Evolver Simulations and the estimated Values of energies and pressures. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.