کاربردهای حیاتی و نادیده صنعت پلی یورتان

این مقاله به بررسی برخی از تازه‌ترین اخبار در یکی از بخش‌های حیاتی و اغلب نادیده گرفته شده صنعت پلی‌یورتان می‌پردازد:CASE پوشش‌ها (Coatings)، چسب‌ها (Adhesives)، درزگیرها (Sealants) و لاستیک‌ها (Elastomers) .
CASE: این یک سرواژه مرتب و خوش‌تلفظ است که بیان آن را ساده می‌کند و به چهار جزء اصلی شامل پوشش‌ها، چسب‌ها، درزگیرها و لاستیک‌ها تقسیم می‌شود. با این حال، این سرواژه نمایانگر واقعی این بخش نیست، چه اجزای تشکیل‌دهنده آن هم‌ارز نیستند: لاستیک‌ها بیش از ۵۰ درصد کل مواد CASE مبتنی بر پلی‌یورتان فروخته شده در جهان را تشکیل می‌دهند.

یک سرواژه دقیق‌تر می‌توانست ECAS باشد که به ترتیب اهمیت هر زیرشاخه اشاره دارد، هرچند تلفظ آن چندان روان نیست. بنابراین، اخبار زیر مطابق با ترتیب سرواژه نیستند و همان‌طور که انتظار می‌رود، سهم بیشتری از مطالب مربوط به لاستیک‌ها در مرور توسعه‌های جدید CASE به خود اختصاص داده است.

تحمل بار (Load bearing)

شرکتHenkel ، تولیدکننده چسب مستقر در دوسلدورف آلمان، نسخه‌های زیست‌پایه‌ای از چسب‌های مهندسی‌شده چوب با نام تجاری Loctite را برای استفاده در سازه‌های چوبی باربر عرضه کرده است. جدیدترین چسب‌های مبتنی بر پلی‌یورتان این شرکت با نام‌های HB S Eco و CR 821 Eco معرفی شده‌اند که گفته می‌شود در مقایسه با جایگزین‌های سنتی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی، بیش از ۶۰ درصد انتشار دی‌اکسید کربن را کاهش می‌دهند.
HB S Eco چسب تک‌جزئی پلی‌یورتان است که فاقد ترکیبات آلی فرار (VOCs) و حلال‌ها می‌باشد. این چسب با استفاده از ۶۳ درصد مواد زیست‌پایه تولید شده و طبق روش تعادل جرمی ISCC Plus گواهی‌ شده است. این محصول نسبت به نمونه فسیلی، انتشار دی‌اکسید کربن را تا ۶۶ درصد کاهش می‌دهد.

محصول دوم، CR 821 Eco، رزین دو جزئی زیست‌پایه پلی‌یورتان است که امکان چسباندن نامرئی عناصر ساختاری چوب ترکیبی را فراهم می‌کند. شرکت اعلام کرده است که این رزین خواص جریان‌یابی مناسبی دارد که کاربری آن را آسان می‌کند و می‌توان از آن در کاربردهای باربر تاییدشده مانند چسباندن میله‌های داخل چوب استفاده کرد. این محصول حاوی ۷۱ درصد مواد زیست‌پایه است، بخشی از آن دارای گواهی ISCC Plus بوده و کاهش ۶۲ درصدی انتشار دی‌اکسید کربن را به همراه دارد.

شرکت اعلام کرده است که ساخت چوب مهندسی‌شده (Mass Timber Construction) نقش مهمی در دستیابی به شیوه‌های زیست‌پایدار و کاهش انتشار دی‌اکسید کربن ایفا می‌کند. Henkel چسب‌های تاییدشده برای چوب مهندسی‌شده باربر ارائه می‌دهد و می‌گوید تغییر از چسب‌های مبتنی بر سوخت فسیلی به چسب‌های زیست‌پایه نیز به تحقق این اهداف کمک خواهد کرد. به گفته مدیر جهانی بخش چوب مهندسی‌شده Henkel، اولین چسب‌های پلی‌یورتان زیست‌پایه این شرکت ایمنی، دوام، بهره‌وری و قابلیت اطمینان بالایی را فراهم می‌کنند که مشتریان از چسب‌های Henkel انتظار دارند. برای مشتریان مستقیم و معماران، زیست‌پایداری چسب‌های استفاده‌شده اهمیت بسیار زیادی دارد. این چسب‌ها بخش بنیادی ساختار چوب مدرن به شمار می‌روند. با توجه به تعهد Henkel به پیشگامی در ارائه راهکارهای نوآورانه، چسب‌های چوب مهندسی‌شده به بلوک ساختمانی حیاتی در مسیر دستیابی به زیست¬پایداری بیشتر تبدیل می‌شوند.

پوشش پارچه‌ای

شرکت‌های Trelleborg و Algenesis Materials در حال همکاری برای توسعهTPUهای زیست‌پایدار هستند. هدف ایجاد TPUهای جایگزین مخصوص کاربردهای پوشش پارچه‌ایTrelleborg است. شرکتAlgenesis ، TPUهایی را بر پایه مواد اولیه زیست‌پایه از جلبک‌ها و گیاهان غیرخوراکی توسعه داده است. TPUهای حاصل نه تنها زیست‌پایه هستند بلکه قابلیت تجزیه زیستی نیز دارند. آزمایش‌های اولیه نشان داده‌اند که این بسپار جدید عملکردی مشابه در فرایندهای موجود دارد. به گفته مدیر توسعه محصولTrelleborg در کارخانه ایالات متحده (کارولینای شمالی)، این شرکت از همکاری باAlgenesis برای بررسی جایگزین‌های زیست‌پایدار برای محصولات TPU فعلی خود و توسعه محصولات جدید که زیست‌پایداری در آن‌ها یک عامل کلیدی است، هیجان‌زده است. به گفته وی، فناوریAlgenesis کاملا با راهبرد شرکت Trelleborg هماهنگ بوده و این شرکت متعهد به دنبال کردن راهکارهای زیست‌پایدار برای پاسخگویی به نیازهای مشتریان است. شرکت Algenesis مستقر در سن دیگو اخیرا قراردادی از وزارت انرژی آمریکا برای توسعه تولید انبوه فناوری TPU زیست‌پایدار خود دریافت کرده که با حمایت Trelleborg همراه بوده است. به گفته مدیرعامل Algenesis، داشتن تولیدکننده‌ای مطرح مثل Trelleborg که پتانسیلTPUهای زیست‌پایدار را به رسمیت می‌شناسد، فوق‌العاده است. دانش آن‌ها درباره نیازهای مشتریان به این شرکت کمک می‌کند تا TPUها را سریع‌تر برای کاربردهای تجاری توسعه دهد. Algenesis مشتاق است مواد خود را در اختیار مشتریان Trelleborg قرار داده و مزایایTPUهای با منبع زیست¬پایدار و 100 درصد تجزیه‌پذیر زیستی را نشان دهد.

جایگزینی PTFE

شرکت Freudenberg Sealing Technologies مستقر در Weinheim آلمان، ماده‌ای مبتنی بر پلی‌یورتان را به عنوان جایگزینی عملی برایPTFE (Polytetrafluoroethylene، یک بسپار فلوئوروکربنی بسیار پایدار است که بیشتر با نام تجاری تفلون شناخته می‌شود، مترجم) معرفی کرده است. این ماده مقاوم در برابر آب‌کافت با نام تجاری 98 AU 30500 در ابتدا برای کاربردهای هیدرولیک متحرک در تجهیزات ساختمانی در مناطق با رطوبت بالا توسعه یافته بود، اما اکنون این شرکت مدعی است که درخواست‌هایی از صنایع غذا و بسته‌بندی نیز دریافت می‌کند. این پلی‌یورتان خواص بهبود یافته‌ای نسبت به واشرهای معمول PTFE در سامانه‌های هیدرولیک متحرک دارد. به گفته مدیر توسعه مواد این شرکت، درست است که مواد PTFE مقاومت بالایی در برابر محیط و دامنه دمایی گسترده در کاربردهای هیدرولیک دارند و همچنین اصطکاک پایین و قابلیت اطمینان بالایی ارائه می‌کنند، اما 98 AU 30500 حتی از این‌ها هم فراتر رفته است؛ چه بسیار مقاوم به سایش و مقاوم در برابر محیط‌های کاری است. به گفته وی، تنظیم بهینه ماده و هندسه باعث شده تا واشرهای ساخته شده از این ماده اصطکاک پایین و حداقل بیرون‌زدگی شکاف داشته باشند که به عمر طولانی‌تر محصول منجر می‌شود. این ماده می‌تواند در دماهای بین 25- درجه سلسیوس تا 120+ درجه سلسیوس مورد استفاده قرار گیرد. این ماده مزیت مهم دیگری دارد؛ این‌که در آینده امکان طراحی هندسه‌های واشر با اصطکاک بسیار پایین و بهینه‌شده هیدرودینامیکی را فراهم می‌کند که پیش‌تر امکان‌پذیر نبود.
یک واشر دو جزئی جدید پیستونی ساخته شده از این ماده به نام OMK-PU 30500 که به روش قالب‌گیری تزریقی تولید می‌شود، قابل جایگزینی با واشرهای PTFE استاندارد است. به گفته مدیر مهندسی و نوآوری شرکت، این واشر پس از نصب نیازی به بازتنظیم برای رسیدن به ابعاد صحیح ندارد. اصطکاک کمی دارد و گزینه بسیار مناسبی برای محیط‌های سخت است. حتی در مرحله مونتاژ نیز بسیار مقاوم در برابر آسیب است. علاوه بر این، نسبت به واشرهایPTFE، آب‌بندی بسیار بهتری دارد. Freudenberg هم‌چنین واشری برای پاسخ به نیازهای خاص یک تولیدکننده ربات‌های همکار (cobots) طراحی کرده است. این واشرها از پلی‌یورتان ساخته شده‌اند. اتصالات ربات‌های همکار باید همیشه از گرد و غبار، آب و سایر آلودگی‌ها به طور کامل محافظت شوند. در حالی که واشرهای PTFE که ابتدا استفاده شده بودند، کارآمد بودند و سرعت بازوهای ربات را کاهش نمی‌دادند، اما نمی‌توانستند محافظت IP54 (یک درجه حفاظت برای تجهیزات برقی که نشان می‌دهد دستگاه تا چه حد در برابر نفوذ گرد و غبار و آب مقاوم است، مترجم) مورد نیاز را تضمین کنند. واشرها باید در دماهای تا ۶۰ درجه سلسیوس در طولانی‌مدت مقاومت کنند و هم‌چنین کشش کمی داشته باشند تا عملکرد موثر در تمام حالت‌های کاری و دماها تضمین شود. این مسئله چالش‌برانگیز است، چه ربات‌های همکار معمولا در فعالیت‌های متنوعی در کارخانه به کار گرفته می‌شوند و ممکن است همان دستگاه برای کارهایی مانند جوشکاری و بسته‌بندی استفاده شود.
وقتی سازنده ربات همکار درخواست بازطراحی واشرها را داد، شرکت Freudenberg با یک واشر پلی‌یورتان به شکل U شروع کرد، اما سطح به نسبت بزرگ آن باعث شد نیروی اصطکاک از حداکثر مجاز ۱ نیوتن بر متر فراتر رود. لازم بود هم نیروهای شعاعی و هم تنش‌های تماس روی لب واشر پویا کاهش یابند. این هدف با تغییر هندسه به شکل پروفیل Z و افزودن یک شیار دوم محقق شد. این تغییرات فشار تماس را کاهش داد و امکان دستیابی به مقدار اصطکاک مورد نیاز را فراهم کرد. با این حال، در آزمایش‌های عملی، میزان سایش هنوز بسیار زیاد بود که عمدتا به دلیل سطح ناهموار ربات‌های سبک آلومینیومی بود. راه‌حل این مشکل، ایجاد پوشش روان‌کننده فیلم جامد سه‌جزئی برای کاهش سایش بود. تغییرات در طراحی ربات نیازمند اصلاحات بیشتری در هندسه واشر بود. نسخه نهایی هندسه Z را حفظ کرده اما بهینه‌سازی‌های بیشتری روی لب واشر پویا انجام شده و منطقه ساکن با یک شیار در بیرون ساخته شده است. واشرها از گونه92 AU 21101 پلی‌یورتان شرکت Freudenberg ساخته شده‌اند که نرم و انعطاف‌پذیر بوده و در عین حال مقاومت کششی آن ۵۹ مگاپاسکال است که فراتر از حداقل ۵۰ مگاپاسکال مورد نیاز است. این ماده در حداقل کشش، قابلیت استفاده در دماهای بین 50- درجه تا 110+ درجه سلسیوس را دارد. شرکت اعلام کرد که خدمات سریع Freudenberg Xpress آن‌ها، که امکان تولید نمونه‌های تکی و تولیدات کوچک را با همان استانداردهای تولید انبوه فراهم می‌کند، این امکان را داده تا واشرها به سرعت با توسعه درون‌سازمانی پیاده‌سازی شوند. به گفته کارشناس توسعه‌دهنده محصول شرکت Freudenberg، این شرکت می‌تواند سریع واکنش نشان داده و محصول را تحویل دهد. در دنیایی که تولید انبوه خودکار است، این شرکت در حوزه‌ای فعالیت می‌کند که بسیاری از تولیدکنندگان دیگر آن را جذاب نمی‌دانند: محصولات تکی و تولیدات کوتاه‌مدت. وقتی این تجربه و دانش فنی با همان استانداردهای کیفیت تولید انبوه ترکیب شود، دریچه‌ای باز می‌شود.

چاپ سه‌بعدی

شرکت Inkbit متخصص در تولید افزایشی مستقر در ماساچوست آمریکا، دامنه مواد چاپ سه‌بعدی خود را با افزودن لاستیک پلی‌یورتان تیول-ان (thiole-ene) جدیدی گسترش داده است. TEPU 50A دارای سختی شورA 50 و تغییر شکل فشاری کم است.
این ماده بخشی از زیست‌بوم Vista در شرکت است که بر اساس درخواست مشتریان برای لاستیک‌هایی طراحی شده که قادر به تولید دقیق جزئیات پیچیده در انواع هندسه‌ها باشند. به گفته Inkbit،TEPU 50A می‌تواند برای جایگزینی و نمونه‌سازی قطعات نرم لاستیکی، سیلیکون‌ها وTPUهای قالب‌گیری شده که دقت بالا نیاز دارند، استفاده شود. کاربردها شامل بوش‌های لاستیکی محافظ کابل (grommet)، واشرهای در و پنجره، گیره‌های نرم و واشرها است. این ماده دومین لاستیک شرکت Inkbit پس از TEPU 30A است که برای کاربردهای نیازمند سختی متوسط تا کم و خواص آب‌بندی و فشردگی خوب طراحی شده است.

به تازگی، یک نوآوری ایتالیایی در چاپ سه‌بعدی اساس تولید محصولی برنده جایزه طراحی شده است. شلوارک دوچرخه‌سواری با درج TPU چاپ سه‌بعدی شده، در مراسم جایزه طراحی Ispo 2023 در مونیخ آلمان تقدیر شد. شلوارک
Ultimate Bib Shorts از شرکت آلمانی Gorewear دارای بالشتک سفارشی با درج نرم‌افزاری ساخته شده توسط شرکت ایتالیایی Elastic Interface است. فناوری N3X شرکت Elastic Interface، یک TPU مشبک چاپ سه‌بعدی شده‌ است که به جای اسفنج سنتی پلی‌یورتان در بالشتک‌های دوچرخه‌سواری به کار می‌رود و راحتی و حمایت بهتری برای دوچرخه‌سواران حرفه‌ای فراهم می‌کند. به گفته این شرکت، فرایند تولید آن‌ها بدون تولید ضایعات است، زیرا فقط ماده لازم استفاده شده و هر ضایعاتی دوباره در همان فرایند بازیافت می‌شود. به گفته هیئت داوران جایزه طراحی Ispo درباره شلوارک Gorewear Ultimate Bib، فناوری¬های پیشرفته نساجی مختلفی در تولید این محصول ترکیب شده‌اند: چاپ سه‌بعدی و فناوری نوآورانه بافت که مناطق عملکردی متفاوت را بدون درز به هم پیوند می‌دهد. استفاده از مواد بازیافتی و تولید بدون ضایعات بالشتک، نقطه قوت دیگری است.

شرکت ایتالیایی CRP Technology گونه جدیدی از TPU به مجموعه محصولات چاپ سه‌بعدی خود اضافه کرده است. این ماده به نام Windform TPU برای چاپ صنعتی SLS (Selected Laser Sintering، برش لیزری انتخابی) طراحی شده و دومین ماده لاستیکی در این مجموعه است که در کنار یک TPE قرار می‌گیرد. به گفته شرکت CRP، این TPU انعطاف‌پذیر، کشسان، مقاوم به ضربه و نرم است و کشامد آن بیش از ۴۰۰ درصد است. این ماده مناسب قطعاتی است که در دماهای پایین استفاده می‌شوند و با روغن‌ها، گریس‌ها و حلال‌ها سازگار است. کاربردها شامل قطعات داخلی خودرو، گردگیرهای آکاردئونی مفصل گیمبال (Gimbal bellow، به نوعی گردگیر انعطاف¬پذیر گفته می¬شود که برای پوشاندن و محافظت از یک اتصال گیمبال (مفصلی که اجازه چرخش در چند محور را می‌دهد) استفاده می‌شود، مترجم)، پوشش‌های صافی هوا، شیلنگ‌ها، دستگیره‌ها، اتصالات و گیرها هستند. همچنین برای تولید ساختارهای شانه‌ای و کفی‌های کفش ورزشی مناسب است.
به گفته مدیرعامل و مدیر فنی شرکت، TPU جدید به آن‌ها امکان پاسخگویی بهتر به نیازهای مشتریان را می‌دهد. Windform RL یک TPE است که سخت‌تر است، در حالی که Windform TPU یک پلی‌یورتان گرمانرم است که نرم‌تر، کشسان‌تر و مقاوم‌تر در برابر سایش است.

مد و کفش

محصول جدید پلی‌یورتان گرمانرم شرکت Coim مستقر در میلان ایتالیا به نام Laripur RS دارای محتوای تجدیدپذیر تا 75 درصد است. این مواد ابتدا برای تولید کفی کفش‌های تجملاتی طراحی شده‌اند اما کاربردهایی در حوزه‌های ورزشی و فنی مانند تولید فیلم‌ها و لوله‌ها نیز دارند. مواد اولیه آن‌ها از محصولات گیاهی با زنجیره تامین کنترل‌شده تامین می‌شوند و محصول به صورت دانه‌بندی عرضه می‌شود. به گفته مدیر تحقیق و توسعه مجموعهLaripur، مواد زیست‌پایه توسعه یافته توسط Coim با استفاده از منابع گیاهی تجدیدپذیر به گونه‌ای فرمول‌بندی شده‌اند که محصولات سنتی را جایگزین کنند و خواص مشابه و حتی در برخی موارد بهتر را بدون نیاز مشتریان به تغییر در ماشین‌آلات یا روش‌های تولید تثبیت‌شده فراهم کنند. این شرکت همچنین ارزیابی چرخه عمر مقایسه‌ای محصولات را برای مشتریان ارائه می‌دهد تا بتوانند مزایای زیست‌پایداری آن‌ها را مستندسازی کنند.