از بالشتکی که روی آن می نشینید، فیلتر جاروبرقی، صندلی ماشین، تشک های بدنسازی و دستگیره های دسته دوچرخه همگی از فوم پلی یورتانی ساخته شده اند. فوم های پلی یورتان کمک شایانی یه راحت تر کردن زندگی ما کرده اند، اما ما به ندرت آن ها را می بینیم یا در موردشان می شنویم.
ترکیبات شیمیایی فوم پلی یورتان
پلی یورتان ها از واکنش یک پلی ال (الکلی با بیش از دو گروه هیدروکسیل فعال در هر مولکول) با نوعی ماده شیمیایی به نام دی ایزوسیانات ها تشکیل می شوند که برای ایجاد انواع مختلف کاربردهای پلی یورتان، مخلوط می شوند. فوم پلی اورتان از واکنش دی ایزوسیانات ها و پلی ال ها ساخته می شود که هر دو از نفت خام به دست می آیند. با این حال، پلی ال ها ممکن است از روغن های طبیعی موجود در منابع تجدید پذیر نیز به دست آیند.
ایزوسیانات ها و فرآیند تولید فوم پلی یورتان
هنگامی که ایزوسیانات ها و پلی ال ها با هم مخلوط می شوند، واکنش داده و فوم تشکیل می دهند. در طول فرآیند تولید، ایزوسیانات ها و پلی ال ها به طور کامل با یکدیگر واکنش می دهند و بنابراین هیچ کدام در فومی که به بازار می رود وجود ندارد. اگرچه ممکن است این فرآیند ساده به نظر برسد، تولید فوم صنعتی می تواند نسبتاً سخت باشد. با ایجاد حباب های گاز در پلاستیک با استفاده از یک عامل فوم زا، فوم تشکیل می شود. فوم پلی یورتان کاربردهای متنوعی دارد، فوم پلی یورتان فلکسیبل برای بالشتک مبلمان، کفش، صندلی خودرو و تجهیزات ورزشی استفاده می شود. فوم پلی یورتان ریجید برای عایق کاری در ساختمان ها و لوازم خانگی و همچنین برخی از کاربردهای خودرو مانند فوم فیلتر هوای خودرو پلی یورتان استفاده می شود.
واکنش‌های شیمیایی در تولید پلی یورتان
واکنش‌های تشکیل پلی‌یورتان‌ها (PU) با تکامل گرما (واکنش‌های گرمازا) درگیر بوده، که در آن واکنش‌هایی بین دو یا چند گروه هیدروکسیل (-OH ) فعال در هر مولکول (دی ال‌ها، تری ال‌ها، پلی‌ال‌ها) و ایزوسیانات که دارای بیش از یک گروه ایزوسیانات فعال (-NCO ) در هر مولکول (دی ایزوسیانات ها، پلی ایزوسیانات ها) است، رخ می دهد. تقاضای فوم پلی یورتان در قرن بیستم به علت مزایای آن ها در صرفه جویی در انرژی، ایمنی، وزن سبک، راحتی و دوام بیشتر بوده است. خواص منحصر به فرد فوم های پلی یورتان، برای ایجاد محصولات ارزشمندی که از نظر ساختار و همچنین کاربردهای متفاوت، از فوم مبلمان فلکسیبل تا سپرهای سخت خودرو، که همگی می توانند به صورت سفارشی ساخته شوند، بسیار مناسب است. PU ها عمر مفید بالایی دارند، طول عمر محصولات PU بسته به استفاده نهایی آن ها از ۳ سال تا بیش از ۵۰ سال متغیر است. به عنوان مثال، عایق فوم پلی یورتان یخچالی، دارای طول عمر متوسط ۱۵ سال است. PU ها همیشه در محصول نهایی قابل مشاهده نیستند، زیرا معمولاً با موادی مانند منسوجات، فلزات، چوب و سایر پلیمرها ترکیب می شوند. ما روزانه از عایق های پلی یورتان در سیستم های گرمایشی، اتومبیل، مبلمان، یخچال و همچنین در عایق کاری ساختمان استفاده می کنیم.
مواد اولیه و اجزای فوم پلی یورتان
مواد اولیه اصلی مورد استفاده برای تهیه عایق های پلی یورتان دی و تری ایزوسیانات ها و پلی ال ها هستند. سایر مواد کمکی پردازش برای اصلاح خواص پلیمر اضافه می شوند. فوم های پلی یورتان از شش جزء اصلی ساخته می شوند: پلی ال ها، دی ایزوسیانات ها، عوامل فوم زا، سورفکتانت ها، کاتالیزورها و مواد گسترش دهنده زنجیره.
انواع ایزوسیانات‌ها و کاربردهای آن‌ها
ایزوسیانات ها که در تهیه عایق فوم PU استفاده می شوند، دارای دو یا چند گروه ایزوسیانات در هر مولکول هستند. متداول ترین ایزوسیانات ها، دی ایزوسیانات های آروماتیک مانند TDI ( تولوئن دی ایزوسیانات) و MDI (متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات) هستند. TDI و MDI به طور کلی ارزان تر و واکنش پذیرتر از سایر ایزوسیانات ها هستند. از آن ها به عنوان ماده اولیه برای فوم های فلکسیبل در تشک ها به صورت فوم اسلب استوک یا به عنوان فوم های قالب گیری برای صندلی ماشین استفاده می شود. فوم های سخت به شکل فوم عایق در یخچال و الاستومرها در زیره کفش استفاده می شود. ایزوسیانات ها را می توان با واکنش نسبی با پلی ال ها یا وارد کردن برخی مواد دیگر برای کاهش فراریت (و در نتیجه سمیت) ایزوسیانات ها اصلاح نموده و در نتیجه نقطه انجماد آن ها را کاهش داد و در نهایت خواص پلیمرها بهبود می یابد. ایزوسیانات های آلیفاتیک و سیکلوآلیفاتیک در زمینه پوشش ها که در آن رنگ و شفافیت ویژگی های مهمی هستند به کار برده می شوند، زیرا PU های ساخته شده با ایزوسیانات های آروماتیک تمایل به تیره شدن در مواجهه با نور دارند.
پلی ال‌ها و انواع آن‌ها
پلی ال ها می توانند پلی اتری یا پلی استری باشند. پلی‌ال‌های پلی‌اتری از واکنش اپوکسیدها با ترکیباتی که اتم هیدروژن فعال دارند ساخته می‌شوند. پلی‌ال‌های پلی‌استری از واکنش اسیدهای کربوکسیلیک و ترکیبات پلی هیدروکسیل ساخته می‌شوند. آن ها را می توان با توجه به استفاده نهایی آن ها دسته بندی کرد. پلی ال های با وزن مولکولی بالاتر با وزن مولکولی بین ۲۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ برای ساخت PU های فلکسیبل استفاده شده، در حالی که پلی ال هایی با وزن مولکولی پایین تر برای ساخت محصولات ریجید استفاده می گردند. پلی ال هایی که برای کاربردهای فلکسیبل استفاده می شوند از مواد خام حاوی تعداد کمتری از گروه های هیدروکسیل (گروه های عملکردی) استفاده می کنند. پلی‌ال‌ها برای کاربردهای ریجید از مواد خام حاوی تعداد بیشتری از گروه‌های هیدروکسیل (گروه‌های عملکردی) استفاده می‌کنند.
ساختار و ویژگی‌های فوم‌های پلی یورتان
فوم های پلی یورتان معمولاً از یک ماتریس پلیمری جامد و یک فاز گازی حاوی عوامل فوم زا تشکیل شده اند. رسانایی حرارتی مهمترین ویژگی برای مواد عایق حرارتی است. رسانایی حرارتی فوم های سلول بسته عمدتاً به محتوای کل گاز و هدایت حرارتی عامل فوم زای محبوس شده در داخل سلول های بسته بستگی دارد. علاوه بر این، ساختار و پایداری ساختاری فوم ها نیز بر هدایت حرارتی فوم ها تأثیر می گذارد. PUF ها توسط عوامل فوم زای فیزیکی یا شیمیایی و یا ترکیبی از هر دو تشکیل می شوند. واکنش‌های بین ایزوسیانات و پلی‌ال باعث ایجاد پیوندهای پلی‌یورتان با انتشار گرمای واکنش می‌شود. عامل فوم زای فیزیکی مانند: سیکلوپنتان و HFC، پلی یورتان (PU ) را توسط تبخیر منبسط کرده و این واکنش گرماگیر است. در مقابل، عوامل فوم زای شیمیایی مانند آب، کربن دی اکسید تولید شده توسط واکنش بین عامل فوم زا و ایزوسیانات، PU را منبسط کرده و این واکنش گرمازا است. بسیاری از عوامل فوم زای معمولی مانند مونوفلوئوروتریکلرومتان (R11 ) و دی فلوئورودی کلرومتان (R12 ) برای به تخریب لایه ازن کمک می کنند. در نتیجه، استفاده از عوامل فوم زای سازگار با محیط زیست به یک موضوع مهم و فوری در سنتز فوم پلی یورتان تبدیل شده است.