Polyol et isocyanate : comprendre la réaction d’un système bi-composants

Quel est le rôle du polyol ?

Le polyol est une molécule possédant plusieurs fonctions hydroxyle, notées –OH.

Ces fonctions réagissent avec les fonctions isocyanate. La structure du polyol influence directement les propriétés du matériau final.

Le choix du polyol peut notamment agir sur :

• la souplesse ;
• la rigidité ;
• l’élasticité ;
• la résistance mécanique ;
• la réticulation ;
• la viscosité ;
• la tenue à l’environnement.

Le côté polyol ne contient pas toujours un seul polyol. Il peut associer plusieurs matières premières.

Il peut aussi intégrer les additifs nécessaires au système.

Dans le langage industriel, on parle souvent de « partie polyol » ou de « mélange polyol ».

Quel est le rôle de l’isocyanate ?

L’isocyanate contient une ou plusieurs fonctions réactives –NCO.

Ces fonctions réagissent avec les groupes hydroxyle du polyol. Elles peuvent également réagir avec l’eau et d’autres molécules possédant un hydrogène actif.

La nature et la fonctionnalité de l’isocyanate influencent :

• la vitesse de réaction ;
• la rigidité ;
• le niveau de réticulation ;
• les propriétés mécaniques ;
• la stabilité du système ;
• le comportement thermique.

Différents isocyanates peuvent être utilisés dans l’industrie. Les plus connus appartiennent notamment aux familles MDI, TDI, HDI ou IPDI.

Le choix dépend du matériau et du procédé recherchés.

Comment se produit la réaction polyol-isocyanate ?

La fonction hydroxyle du polyol réagit avec la fonction NCO de l’isocyanate.

Cette réaction crée une liaison uréthane. La multiplication de ces liaisons forme progressivement le polymère.

La réaction est exothermique. Elle libère donc de la chaleur.

Le matériau passe par plusieurs états :

1. les composants sont liquides ;
2. ils sont dosés ;
3. ils sont mélangés ;
4. la réaction démarre ;
5. la viscosité augmente ;
6. la matière gélifie ;
7. le réseau polymère se forme ;
8. la pièce durcit.

La vitesse de ces étapes dépend de la formulation et de la température.

L’INRS détaille les principales réactions chimiques du polyuréthane.

Pourquoi l’eau fait-elle mousser le polyuréthane ?

Dans certaines formulations, l’eau participe à la création de la mousse.

Elle réagit avec les fonctions isocyanate. Cette réaction entraîne notamment un dégagement de dioxyde de carbone.

Le gaz forme des cellules dans la matière. Le système augmente alors de volume.

La quantité d’eau influence l’expansion. Elle doit être maîtrisée avec les autres composants.

Une humidité non prévue peut aussi provoquer des défauts. Elle peut produire des bulles ou modifier la structure cellulaire.

Les matières premières et les supports doivent donc être stockés dans des conditions adaptées.

Que contient le mélange polyol ?

Le mélange polyol peut contenir plusieurs additifs.

Chaque ajout doit être compatible avec l’ensemble.

Une formulation n’est pas une simple addition d’ingrédients. Les composants interagissent entre eux.

Une modification du catalyseur peut changer le temps de gel. Une variation d’eau peut modifier la densité et la taille des cellules.

Comprendre le rapport de mélange

Le rapport de mélange polyuréthane indique la quantité de chaque composant à utiliser.

Il peut être exprimé en masse ou en volume. La fiche technique doit préciser la méthode.

Un rapport 100:50 en masse ne signifie pas nécessairement 2:1 en volume. La densité des deux composants peut être différente.

Le dosage doit respecter la formulation prévue.

Un excès de l’un des composants peut provoquer :

• une polymérisation incomplète ;
• une surface collante ;
• une fragilité ;
• une dureté irrégulière ;
• une mauvaise stabilité ;
• des performances mécaniques insuffisantes.

Le rapport de mélange ne doit pas être modifié sans étude.

Qu’est-ce que l’indice isocyanate ?

L’indice isocyanate permet de comparer la quantité de fonctions NCO disponibles avec les fonctions réactives du système.

Il ne correspond pas directement au rapport massique entre les deux composants.

Un indice adapté permet d’obtenir l’équilibre chimique recherché. Cet équilibre dépend de la famille du matériau.

Une mousse rigide, une mousse souple et un élastomère ne suivent pas nécessairement les mêmes objectifs.

L’indice est défini pendant la formulation. Il doit ensuite être respecté en production.

Les principaux temps de réaction

Un système polyuréthane est caractérisé par plusieurs temps.

Le temps de crème correspond au début visible de l’expansion d’une mousse.

Le temps de gel correspond au moment où la structure commence à se former.

Le temps hors poisse indique le moment où la surface n’est plus collante.

Le temps de démoulage correspond au délai nécessaire avant de retirer la pièce sans la déformer.

Ces valeurs dépendent des conditions de mesure. Elles peuvent évoluer avec la température des composants et du moule.

Elles doivent être compatibles avec la cadence industrielle.

Les paramètres à contrôler en production

La qualité ne dépend pas uniquement de la formule.

Plusieurs paramètres doivent être surveillés :

• température des composants ;
• température du moule ;
• rapport de dosage ;
• débit ;
• pression ;
• qualité du mélange ;
• temps entre le mélange et le remplissage ;
• humidité ;
• ventilation du moule ;
• temps de démoulage.

Une matière trop froide peut devenir plus visqueuse. Le remplissage peut alors être moins régulier.

Une température élevée accélère souvent la réaction. Le temps disponible pour remplir le moule peut devenir trop court.

La stabilité du procédé est donc essentielle.

Défauts possibles et premières causes à étudier

Ce tableau sert uniquement à orienter le diagnostic. Une analyse complète doit prendre en compte la matière, la machine et le moule.

Risques liés aux diisocyanates

Les diisocyanates peuvent provoquer une sensibilisation respiratoire ou cutanée.

Leur manipulation nécessite une évaluation des risques, une ventilation adaptée et des équipements de protection définis par la fiche de données de sécurité.

La restriction n°74 du règlement REACH encadre leur utilisation professionnelle. Elle prévoit notamment une formation pour certaines utilisations de produits contenant des diisocyanates.

Le texte consolidé du règlement est disponible sur EUR-Lex.

Les consignes exactes dépendent du produit, de sa concentration et du procédé.

FPS développe et adapte les systèmes bi-composants

France Polyuréthane System étudie les systèmes selon le besoin industriel.

Le développement peut porter sur :

• la réactivité ;
• la viscosité ;
• le rapport de mélange ;
• la densité ;
• la dureté ;
• le temps de démoulage ;
• l’adhérence ;
• le comportement mécanique ;
• la compatibilité avec une machine.

FPS peut accompagner la formulation, les essais et la présérie. Le système peut ensuite être transféré vers l’équipement du client.

Découvrez l’expertise de FPS en formulation polyuréthane.