برگردان: مهندس شبنم عزالدین
shabnam.ezzoddin@gmail.com
چکیده
پلی یورتان ماده ای است که کلمه “همه کاره” را به درستی تعریف میکند. رابطه ویژگی ساختاری دی ایزوسیاناتها و پلی الها به گونه ای است که تنوع و سفارشی سازی فراوانی را برای سازنده فراهم میکند. خواص پلی یورتان میتواند تا حد زیادی از پوششهای لمسی نرم تا مصالح ساختمانی سفت و سخت را شامل شود. این خواص مکانیکی، شیمیایی و زیست شناختی و سهولت تولید سفارشی، توجه زیادی را نه تنها در جامعه علمی، بلکه در صنایع مربوطه نیز ایجاد کرده است. بهبود خواص مواد را میتوان با دستکاری مواد اولیه و همچنین افزودن مواد افزودنی مختلف و همچنین نانومواد انجام داد. بنابراین اصلاحات مناسب در مواد اولیه میتواند پلی یورتان تقریبا مناسب برای هر کاربرد تولید کند. مطالعه حاضر به شیمی پایه پلی یورتان و پیشرفتهای اخیر در کاربردهایی در زمینه های علوم پزشکی، خودرو، پوششها (Coatings)، چسبها (Adhesives)، درزگیرها (Sealants)، پوشرنگها (Paints)، نساجی، صنایع دریایی، چندسازه های چوبی (Wood Composites) و پوشاک معطوف است.
معرفی
در دوران قبل از جنگ جهانی دوم (1937) دکتر Dr. Otto Bayer و گروهش موادی را ساختند که آنها را “Das Di-lsocganat-Poluadditionsverfahren” یا پلی یورتان نامیدند، و آن زمان شاید کمتر میدانستند که این اختراع در
IG Farben در لورکوزن، آلمان چه تاثیری بر دنیای مواد و مهندسی خواهد گذاشت. پلی یورتان (PU) از بسیاری جهات در مقایسه با بسپارهای دیگر بسیار متفاوت و همه کاره است. سادگی در تولید و خواص عالی پلی یورتان، آن را به یکی از انواع بسپارها تبدیل کرده است. واکنش بین دیایزوسیانات و پلیاستر دیال منجر به تشکیل پلییورتان و همچنین صنعت پلی یورتان در سال 1937 شده و اولین بار به عنوان جایگزینی برای لاستیک کشسان در جنگ جهانی دوم استفاده شد، اما به دلیل سازگاری آن توسعه یافت. به سرعت جایگزین سایر مواد نظیر الیاف بافته شده و فلزات شد. به عنوان مثال، پوششهای PU برای آغشته کردن کاغذ و تحویل لباسهایی که در برابر گاز خردل و خوردگی غیرقابل نفوذ بودند، استفاده میشد. آنها علاوه بر این به عنوان پوششهای مصنوعی ایمن برای چوب، سنگ و فلز و هواپیماها مورد استفاده قرار گرفتند. کارهای اولیه روی پلی یورتان عمدتا روی محصولات به دست آمده از واکنش دی ایزوسیاناتهای دیآمین و خطی متمرکز بود که پلی اوره تولید میکردند. تا زمانی که خواص جالب یورتان بهدستآمده از دی ایزوسیاناتها و دی ال ها مورد ارزیابی قرار گرفت، عمده پژوهشها در مورد پلی اوره انجام میگرفت. در سال 1952، (پس از جنگ جهانی دوم)
پلیایزوسیاناتها به صورت تجاری در دسترس قرار گرفتند، تولید PU در مقیاس تجاری از واکنش تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و پلی استر پلی الها به دست آمد. در سالهای بعد (1952-1954)، سامانه های مختلف پلی استر-پلی-ایزوسیانات توسط Bayer توسعه یافتند. در حال حاضر PU یکی از بزرگترین سهمها را در صنعت پلاستیک و CASE
(پوششها، چسبها، درزگیرها و لاستیکها) در اختیار دارد.
تقسیم سهم PU در کاربردهای مختلف در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1: سهم مصرف پلی یورتان در ایالات متحده به تفکیک حوزه کاربرد به عنوان درصدی از هزینه کل (5/5 میلیارد پوند ) مواد PU و افزودنیها
مرجع: CPI 2012 گزارش بازار مصرف نهایی صنعت پلی یورتان
پلی یورتان به دلیل خواص چند وجهی خود تقریبا همه زمینه های مهندسی مواد از کفش گرفته تا پوشش های هوانوردی را تحت تاثیر قرار داده است. علاوه بر این، توسعه پلیاتر پلیالهای ارزان قیمت منجر به تولید اسفنجهای انعطافپذیر و سایر کاربردهای خودرو و اثاثه یا لوازم داخلی شد که هنوز هم تا به امروز کاربردی هستند. پژوهشها و بهبود مستمر در
فرمولبندیها، افزودنیها و روشهای فراوری باعث ایجاد طیف گستردهای از کاربردهای پلییورتان شده است. مزیت اصلی پلی یورتان دوام، چقرمگی و مقاومت شیمیایی عالی بوده است. این بسپار میتواند به اندازه یک فلز بادوام باشد در حالی که مانند لاستیک کشسان است، این ویژگی باعث شده که پلی یورتان جایگزین فلزات مختلف، پلاستیکها و لاستیکهای مهندسی و همچنین معمولی باشد.
PU به دلیل داشتن ترکیبی از خواص کشامد، سختی، استحکام و مدول در کاربردهای مختلفی مانند کاربردهای زیست پزشکی، خودروسازی، ساختمان، ساخت و ساز، منسوجات و چندین مورد دیگر مورد استفاده قرار گرفته است. اگرچه مزیت انحصاری استفاده از پلی یورتان در تولید طیف گسترده ای از پلاستیکهای با کارایی بالا است، پلی یورتانها اغلب ممکن است با بسپارهای ارزان قیمت رقابت کنند، زیرا هزینه های مواد اولیه تنها عامل تاثیرگذار بر هزینه های تولید محصول نهایی نیستند. عواملی چون مدت زمان چرخه تولید، هزینه تجهیزات و ابزارآلات، آماده سازی و همچنین پتانسیل بازیافت نیز بسیار مهم و تاثیرگذار هستند. ساخت پلی یورتانها داستان بسیار متفاوتی است. تفاوت اساسی پلی یورتان با سایر بسپارها این است که بیشتر گرمانرمها در کارخانه های بزرگ شیمیایی بسپارش میشوند و سپس به صورت دانه یا پودر به مصرف کننده یا مشتری فروخته میشوند. سپس این محصولات با روشهای مختلف فراورش به قطعات مفیدی تبدیل
میشوند. خواص این محصولات تنها به خواص گرمانرم عرضه شده یا خریداری شده از سازنده مواد اولیه بستگی دارد. با این حال، در مورد پلی یورتان، بیشتر بسپارش توسط تبدیل کننده انجام میشود و نه توسط سازنده مواد شیمیایی. به طور خاص، اجزای شیمیایی پلییورتان مخلوط نیز برای یک کاربرد خاص فروخته میشوند.
یک گروه یورتان از واکنش شیمیایی بین دیال و ایزوسیانات شکل میگیرد. از این رو مواد اولیه اصلی در تولید پلییورتان یک دیال و یک ایزوسیانات هستند که برای تشکیل پیوند یورتان واکنش نشان میدهند. شیمی پایه سنتز پلی یورتان در ادامه مقاله مورد بحث قرار میگیرد. پلی یورتان را میتوان در طیف بسیار وسیعی از گونه ها، در بازه چگالی 6-1220 کیلوگرم بر متر مکعب و درجه های مختلف سختی، از لاستیکهای انعطاف پذیر تا پلاستیکهای صلب و بسیار سخت برای کاربردهای با کارایی بالا تولید نمود.
پایه صنعتی پلی یورتانهایی که در 50 سال گذشته تکامل یافته است توسط دو عامل مهم هدایت میشود: اقتصادی بودن تولید مواد اولیه و تنوع بازار از پلاستیکهای سخت گرفته تا پوشرنگ و چسبها. پلی یورتان همچنین با بسیاری از بسپارهای دیگر موجود در بازار متفاوت است زیرا به فراورنده یا سازنده اجازه میدهد تا بسپار را بر اساس نیازهای خود تنظیم کند تا با ویژگی محصول نهایی منحصر به فرد مطابقت داشته باشد. این امکان پذیر است زیرا متغیرهای پلی یورتان تعیینکننده خاصیت ماده ای است که به این ترتیب شکل گرفته است. به عنوان مثال، پلیاتر پلیالها انعطافپذیری بسیار بیشتری به محصول میدهند، در حالی که پلیاستر پلیالها سختی و استحکام خوبی برای محصول ایجاد میکنند. همین امر در مورد ایزوسیاناتها نیز صدق میکند و ایزوسیاناتهای مختلف (خطی (aliphatic) و حلقوی(cycloaliphatic)) خواص متفاوتی را به پلی یورتان تشکیل شده میدهند. بنابراین، بازار بالقوه برای کاربردهای پلی یورتان تقریبا بیپایان است. این مطالعه بر پیشرفتهای اخیر در کاربرد پلی یورتانها متمرکز شده است. کاربردهای پلی یورتان شامل اسفنج (انعطافپذیر، سفت، مقاوم در برابر آتش)، لاستیکها، چسبها، پوششها و پوشرنگها میباشد. این بسپار یکی از بهترین مواد اولیه در صنعت خودرو، مبلمان، ساخت و ساز، عایق گرمایی، کفش و غیره میباشد. سنتز پلی یورتان مشتمل بر مواد مختلفی بوده که این افزودنیها در جدول 1 ارائه شده اند.
متن کامل این مقاله در شماره نهم فصلنامه پلی یورتان منتشر شده است.