汽車座椅、床墊和絕緣材料通常由聚氨酯泡沫制成。液體聚合物的發(fā)泡是一個復(fù)雜的過程。目前，弗勞恩霍夫協(xié)會(Fraunhofer)的研究已經(jīng)能夠模擬出這種材料的發(fā)泡行為，并對其進(jìn)行可靠的表征。這種模擬也適用于塑料泡沫與紡織結(jié)構(gòu)結(jié)合的復(fù)合材料。
聚氨酯泡沫——簡稱PU泡沫——在我們的日常生活中扮演著重要角色，盡管我們可能并沒有意識到它們的存在。我們每天坐在這種材料上面，或躺在上面：例如，汽車座椅和床墊都是由柔軟的聚氨酯泡沫制成的。另一方面，硬質(zhì)聚氨酯泡沫也被用于建筑絕緣保溫材料。泡沫材料性能的預(yù)測和表征是非常復(fù)雜的，實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果往往會導(dǎo)致錯誤的參數(shù)。
更好地規(guī)劃新產(chǎn)品線
特別有趣的是以下問題：初始液體如何轉(zhuǎn)化為泡沫?泡沫的特點(diǎn)是什么?位于凱澤斯勞滕的弗勞恩霍夫工業(yè)數(shù)學(xué)研究所(Fraunhofer ITWM)的研究人員現(xiàn)在能夠?yàn)檫@些問題提供可靠的回答，并為聚氨酯泡沫塑料產(chǎn)品制造商提供所用聚合物的良好表征，使他們更容易規(guī)劃新的產(chǎn)品線。這最好使用一個例子來解釋，例如汽車座椅。在這種情況下，有些部分需要更加堅(jiān)硬，有些部分需要更加柔軟。制造商通過注入具有不同特性的泡沫來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。他們使用液體聚合物混合物作為起始材料，將其注入合適的模具中：快速但復(fù)雜的化學(xué)過程就開始了。在幾秒鐘內(nèi)，兩種液體乳劑轉(zhuǎn)變成復(fù)合聚合物泡沫。但兩種不同的物質(zhì)究竟是如何發(fā)泡的呢?它們是否具有所需的特性，是否按預(yù)期擴(kuò)散到適當(dāng)?shù)膮^(qū)域?Fraunhofer ITWM部門負(fù)責(zé)人Konrad Steiner博士解釋說：“我們不是從化學(xué)開始，去通過實(shí)驗(yàn)確定許多獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中的反應(yīng)速率和粘度等所有參數(shù)，而是進(jìn)行兩到三個簡單的實(shí)驗(yàn) - 例如在燒杯中發(fā)泡。我們在電腦上逐個模擬這些實(shí)驗(yàn)?！?/p>
這些實(shí)驗(yàn)建立了FOAM發(fā)泡模擬工具所需的模型參數(shù)，該工具在模擬的基礎(chǔ)上計(jì)算泡沫的發(fā)泡行為。結(jié)果對具體應(yīng)用具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性和可靠性。研究人員不再需要在單獨(dú)的實(shí)驗(yàn)中分別確定每個表征參數(shù)，這可能導(dǎo)致不精確的數(shù)值，而是可以用最少的努力快速獲得可靠的發(fā)泡過程數(shù)據(jù)。
Steiner 說：“制造商通常使用三到四種不同的泡沫——對于新產(chǎn)品，他們通常只是改變泡沫的組合和最終的幾何形狀，”斯坦納說。一旦弗勞恩霍夫的研究人員通過模擬對聚氨酯泡沫進(jìn)行了表征，這就為新產(chǎn)品提供了一個很好的起點(diǎn)。制造商可以將他們收到的泡沫數(shù)據(jù)輸入到FOAM模擬工具中，并模擬每種新產(chǎn)品和每種新幾何形狀如何在發(fā)泡過程中傳輸泡沫質(zhì)量和熱量。就汽車座椅而言，他們可以精確地找出將兩種泡沫相互注入的方法，從而在正確的位置獲得理想的區(qū)域性能。
利用FOAM發(fā)泡模擬工具識別參數(shù)和模擬泡沫的方法已經(jīng)建立，多個項(xiàng)目已經(jīng)與不同的客戶進(jìn)行了合作。
聚氨酯泡沫復(fù)合材料
制造商通常依賴復(fù)合材料中的聚氨酯泡沫，例如用于汽車支撐結(jié)構(gòu)的聚氨酯泡沫，這種復(fù)合材料必須既穩(wěn)定又輕便。在這個應(yīng)用中，其他增強(qiáng)材料，如紡織品被集成到泡沫中。如果強(qiáng)行彎曲，硬質(zhì)泡沫板可能會斷裂，而集成紡織品的泡沫板很容易承受這些力。然而，聚合物乳液的流動行為改變，因?yàn)槟＞咧械目椢锝Y(jié)構(gòu)自然地對其起作用，導(dǎo)致泡沫形成動力學(xué)和泡沫結(jié)構(gòu)的變化：泡沫變小，泡沫變得更致密。
