آشنایی با پلی یورتان

از زمان اختراع پلی پورتان توسط بایر و همکارانش تاکنون بنا به تنوع نیازهای مصرف کنندگان،گام های بزرگی در این بخش از مواد و محصولات برداشته است.

این پیشرفت هم در زمینه مواد اولیه مصرفی شامل مواد اصلی و پایه و همچنین مواد افزودنی برای کنترل خواص مورد انتظار و سرعت واکنش ها بوده و هم در زمینه تجهیزات دستگاهی تولید محصولات می باشد.

1)مواد اولیه:

مهمترین واکنش در تولید پلی یورتان ها که به لحاظ اهمیت شالوده اصلی این مواد می باشد،واکنش بین پلی ال و ایزوسیانات می باشد.

در واقع یورتان- که در شکل کاربردی آن بنا به تکرار این واحد شیمیایی در محصولات پلی یورتان- محصول واکنش هیدروکسیل(OH) موجود در پلی ال و ایزوسیانات (-NCO) موجود در مواد ایزوسیانات می باشد.

در واقع خواص تمامی پلی یورتان ها برگرفته از تاثیر انواع پلی ال ها بر انواع ایزوسیانات می باشد.تعداد این گروه ها در یک ساختار مولکولی و همچنین نحوه قرار گیری انها در کنار ساختمان اصلی شیمیایی هر یک از مواد در تعیین خواص بسیار مهم است.

از این رو در این قسمت برای آشنایی بیشتر به شرح هر یک می پردازیم

الف)پلی ال ها

پلی ال ها به طور کلی در اغلب موارد جز محصولات پترو شیمیایی می باشد.آنها به دو دسته کلی پلی اترها و پلی استرها تقسیم می شوند.البته دسته دیگری شامل روغن های گیاهی اصلاح شده با گروه های مختلف شیمیایی نیز به طور جداگانه مورد بررسی قرار می گیرد.

پلی اتر ها محصول پلیمریزاسیون اتیلن اکساید،پروپیلن اکساید،کاپرولاکتون و تتراهیدروفوران می باشد.

بسته به ماده اولیه، جرم مولکولی، عاملیت شیمیایی(Functionality ) واینکه آیا گروه دیگری به آن اضافه می شود یا خیر،انواع گسترده پلی اتر ها با خواص متنوع وجود دارند.

پلی اتر های بر پایه اتیلن اکساید به عنوان پلی اتیلن گلیکون شناخته می شوند و در گستره وسیعی از جرم مولکولی قابل تولید و مصرف هستند.البته از این نوع پلی اتر بیشتر در صنایع دارویی بهره گرفته می شود و در صنعت پلی یورتان یا به میزان کم در فراورده ها استفاده می شود و یا اینکه در هنگام پلیمریزاسیون همزمان با پروپیلن اکساید ترکیب شده و یک کوپلیمر (پلیمر با دو واحد تکرار شونده)ساخته می شود.

دلیل این امر مقاومت ضعیف پلی اتیلن گلیکول و همچنین پلی یورتان ساخته شده از آن در برابر آب و تمایل به هیدرولیز شدن می باشد.

پلی پروپیلن گلیکول اغلب در تولید فوم های منعطف و بلوکی(پیوسته و ناپیوسته)کاربرد دارد.مقاومت مناسب در شرایط محیطی و تامین خواص مورد انتظار از محصولات ساخته شده ،این پلی ال را تبدیل یه یکی از پر مصرف ترین پلی ال ها در پلی یورتان نموده است.

پلی کاپرولاکتون و پلی THF جز پلی اتر هایی است که در محصولات با خواص مکانیکی بالا استفاده می شود.سیستم های دوجزئی ریختگی (casting) پلی یورتان که اغلب برای روکش غلتک و یا چرخ های صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند،هر گاه خواسته باشیم که آنها بیشترین تحمل را در رطوبت دارا بوده انعطاف خوبی در دمای پایین داشته باشند،پلی ال های مصرفی پلی کاپرولاکتون و پلی THF خواهند بود.

البته امروزه بنا به نیاز مصرف کنندگان ،شرکت های تولید کننده مواد اولیه ، محصول هایی اعم از پلی ال های مصرف شده ساختاری و پلی ال های مقاوم در برابر شعله را تولید و عرضه می کنند.

پلی ال های پلی استری نظیر پلی اتیلن ادیپات محصول واکنش یک اسید دو عاملی با یک یا بیشتر از ساختار های دارای هیدروکسیل هستند.خانواده پلی استر ها به خودی خود خواص مکانیکی بسیار مناسبی را دارا هستند.به عنوان مثال پلی اتیلن ترفتالات (PET) در تولید ظروف نوشابه های و آب معدنی و .... مورد استفاده قرار می گیرد.البته پلی استر پلی ال ها اغلب به صورت مایع در دمای محیط و یا دمای بالاتر می باشند که امکان فرایند کردن آن وجود داشته باشد.پلی یورتان های پلی استری خواص مکانیکی فوق العاده نظیر مقاومت سایش را دارا هستند.محصولاتی نظیر زیره کفش و فوم هایی با خواص فوق العاده بر پایه استر پلی ال ها ساخته می شود.

دسته دیگری پلی استر پلی ال ها محصول بازیافت ظروف پلاستیکی نوشیدنی ها نظیر آب معدنی و نوشابه است.در این فرایند ابتدا ظروف را به صورت پرک در آورده و سپس آنرا می شویند.در این قسمت میتوان از این پرک ها در تولید نخ های پلی استری مورد مصرف در صنایع نساجی استفاده کرد.برای تولید پلی ال ، پرک ها در یک راکتور(محفظه واکنش) ریخته و با افزودن آب و قلیا و سایر افزودنی ها، پلی استری به صورت مایع تولید کردکه بسته به میزان و نوع افزودنی این فرایند متنوع می باشد.بهترین کاربرد برای این پلی ال در تولید فوم های سخت است.

پلی ال های بر پایه مواد طبیعی نظیر روغن های گیاهی نیز امروزه بخش قابل توجهی در صنعت پلی یورتان دارا هستند.برای قابل استفاده کردن این مواد به عنوان پلی ال، طی واکنش های مختلف شیمیایی به آنها گروه هیدروکسیل اضافه می شود تا قابلیت کاربرد در صنعت پلی یورتان را داشته باشد.از یک سو استفاده از منابع تجدید شونده طبیعی در تولید محصول ها قابل توجه است و از سوی دیگر قیمت بالای این دسته مواد و خواص مکانیکی نه چندان بالا مصرف آنها را محدود نموده است.

ب)ایزوسیانات ها:

ایزوسیانات ها به دو دسته کلی اشباع و غیر اشباع قابل تقسیم بندی هستند.دسته اشباع عمدتا در رنگ ها و همین طور تولید قطعاتی کاربرد دارد که مقاومت در برابر نور خورشید بسیار حائز اهمیت است.دسته غیر اشباع مصرف بسیار گسترده تر و متنوع تری را دارا هستند.

تقریبا تمامی محصول های فومی پلی یورتان با استفاده از ایزوسیانات های غیر اشباع تولید می شوند.

مرسوم ترین ایزوسیانات اشباع، هگزامتیلن دی ایزوسیانات(HDMI) می باشد و مرسوم ترین ایزوسیانات غیر اشباع تولوئن دی ایزوسیانات(TDI ) و 4و'4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات(MDI) می باشد.

بنا به شرایط مصرف انواع TDIو MDI قابل تولید و مصرف هستند.

کاتالیست ها

وظیفه اصلی کاتالیست ها در صنعت پلی یورتان، افزایش سرعت واکنش ها و افزایش خواص محصول در زمان اندک است.

دو واکنش اصلی و کلی در صنعت پلی یورتان حائز اهمیت است:

1-واکنش پلی ال با ایزوسیانات

2-واکنش آب با ایزوسیانات

واکنش 1 در تمامی تولیدهای پلی یورتان و واکنش 2 در تولید فوم های پلی یورتان بسیار مهم است.واکنش 2 برای تولید گاز دی اکسید کربن به منظور تولید فوم بسیار ضروری است.از آن جهت که محصول واکنش آب با ایزوسیانات،گروه های آمین(NH2) می باشد و واکنش آمین تولیدی با ایزوسیانات خواص محصول را به دلیل تشکیل پلی اوره، بسیار بالا می برد. از آن رو استفاده از آب در سیستم های فومی ضروری است.

کاتالیست های صنعت پلی یورتان بسیار متنوع هستند.این کاتالیست ها به دو دسته کلی فلزی و آمین تقسیم می شوند که گروه اول بیشترین واکنش را بر واکنش1 و گروه دوم بیشترین اثر را بر واکنش 2 دارد.

-از کاتالیست های فلزی می توان به اکتئات ،پر مصرفترین کاتالیست در صنعت فوم اشاره کرد.

-از کاتالیست های آمین می توان به دی آزو بی سیکلو اکتان اشاره کرد که معروفترین نام تجاری آن (DABCO) می باشد.

بسته به سیستم پلی یورتان مورد نظر اعم از فوم،پلاستیک،لاستیک،چسب یا سیلانت انواع کاتالیست هایی موجود می باشد که بنا به خاصیت.های مختلف مورد استفاده قرار می گیرد.

افزودنی:

- روغن سیلیکون:به عنوان ایجاد کننده ساختار فومی یکدست و یکنواخت در فوم های پلی یورتان استفاده می شود.بسته به نوع سیستم و اندازه سلول های فومی انواع مختلف آن مورد استفاده قرار می گیرد.

- رنگ:برای ایجاد یک محصول رنگی، بهترین حالت استفاده از رنگ های اسپری شده مایع است که با کمترین تاثیر خواص رنگ مورد نظر را در محصول به دست می دهد

- عامل ایجاد فوم:مایع هایی با نقطه جوش پایین می باشد که به عنوان عامل دمنده در فوم کاربرد دارد.از جمله معروفترین آنها می توان به متیلن دی کلراید و فلوئورومتان ها نام برد که فلوئورومتان به دلیل آسیب رساندن به لایه ازن محدودیت مصرف پیدا کرده اند.امروزه سازمان هایی با جایگزین کردن سیکلوپنتان به جای فلوئورومتان سعی در کنترل و کاهش از بین رفتن لایه ازن دارند. البته دی اکسید کربن نیز به عنوان عامل دمنده کاربرد دارد.

تاخیر انداز آتش:

به دلیل تولید گازهای سمی در اثر سوختن پلی یورتان ها، پیشگیری از انتقال و کاهش سرعت سوختن بسیار مهم می باشد.در برخی از محصول ها نظیر فوم صندلی هواپیما و سالن های سینما،استفاده از فوم های خاص که سریع مشتعل نشده و در اثر سوختن به خودی خود خاموش شود،یک ضرورت می باشد.

برای ایجاد این خاصیت از مواد دارای هالوژن نظیر تریس(2-کلرو پروپیل)فسفات با نام تجاری TCPP استفاده می شود.

البته استفاده از مواد دیگر معرفی شده توسط شرکت های تولیدی و همچنین فیلر هایی که خاصیت خود خاموش کن به محصولات می دهند نیز مرسوم است.از جمله فیلر هایی که خاصیت خود خاموش کنی ایجاد میکنند،می توان بهملامین سیانورات، سولفات آمونیوم،پلی فسفات آمونیوم،آلومینیوم هیدروکسید و ملامین اشاره کرد.البته باید مراقب اثرات نا خواسته استفاده از این مواد بود.این اثرات شامل کاهش خواص مکانیکی و مشکل در تجهیزات تولیدی می تواند باشد.

محصول های پلی یورتان

محصول هلی پلی یورتان به فوم، رزین ریختگی، سیلانت، چسب، محصول های پیش شکل داده شده مثل شیت( Sheet ) و میله(Rod) قابل تقسیم بندی است.

فوم ها به دو دسته اصلی منعطف و سخت تقسیم می شوند.

فوم های نرم در صندلیَ،مبلمان، لباس،بالش و تشک کاربرد بسیاری دارند و فوم های سخت بیشترین کاربرد را به عنوان عایق حرارتی در یخچال،سردخانه و کانکس(خانه های پیش ساخته) دارا می باشند.