پلی یورتان ها پلیمرهای خطی‌اند که دارای ستون فقرات مولکولی حاوی گروه‌های کاربامات (NHCO2) هستند. این گروه‌ها که یورتان نامیده می‌شوند، از طریق واکنش شیمیایی بین دی ایزوسیانات و یک پلی ال تولید می‌شوند. پلی یورتان ها که برای اولین بار در اواخر دهه 1930 ساخته شده‌اند، از همه‌کاره‌ترین پلیمرها هستند. به‌گونه‌ای که از آن‌ها در عایق‌بندی ساختمان، پوشش‌های سطح، چسب‌ها، پلاستیک‌های جامد و پوشاک ورزشی استفاده می‌شود؛ اما برای اینکه با چگونگی تولید پلی یورتان آشنا شوید تا پایان این نوشته با ما همراه باشید.
پلی یورتان ها که به آن پلی کاربامات نیز گفته می‌شود، متعلق به یک دسته بزرگ‌تر از ترکیبات، به نام پلیمرها هستند. پلیمرها، ماکرو مولکول‌هایی هستند که از واحدهای تکرار شونده کوچک‌تر و معروفی به نام مونومر تشکیل شده‌اند. به طور کلی، آن‌ها از یک مولکول اصلی ستون فقرات با زنجیره طولانی تشکیل شده و دارای گروه‌های جانبی متصل هستند. پلی یورتان ها در ستون فقرات مولکولی خود توسط گروه‌های کاربامات مشخص می‌شوند.
بیشتر بدانید : ساندویچ پانل سقفی ، ساندویچ پانل دیواری
پلیمرهای مصنوعی، مانند پلی یورتان، با واکنش مونومرها در یک ظرف تولید می‌شوند. در مورد چگونگی تولید پلی یورتان می‌توان این‌طور گفت که در مرحله‌ای از واکنش به نام متراکم تولید می‌شود. در این نوع واکنش شیمیایی، مونومرهایی که وجود دارند حاوی گروه‌های انتهایی واکنش دهنده هستند. به طور خاص، یک دی ایزو سیانات (OCN–RNCO) با یک دئول (HO-R-OH) واکنش نشان می‌دهد. اولین مرحله از این واکنش منجر به پیوند شیمیایی دو مولکول می‌شود که یک الکل واکنش‌پذیر (OH) از یک طرف و یک ایزوسیانات واکنش‌پذیر (NCO) از طرف دیگر باقی مانده است. این گروه‌ها با مونومرهای دیگر واکنش بیشتری نشان می‌دهند و یک مولکول بزرگ‌تر و طولانی‌تر را تشکیل می‌دهند. این یک فرایند سریع است که حتی در دمای اتاق نیز با وزن مولکولی زیاد تولید می‌شود. پلی یورتان ها که کاربردهای تجاری مهمی دارند معمولاً شامل گروه‌های عملکردی دیگری در مولکول از جمله استرها، آمیدها یا گروه‌های اوره نیز هستند.
تاریخچه چگونگی تولید پلی یورتان
پلی یورتان برای اولین بار توسط شیمیدان آلمانی، فردریش بایر در سال 1937 مورد مطالعه قرار گرفت. از این‌رو یکی از اولین الیاف پلی یورتان کریستالی به نام Perlon U تولید شد. توسعه پلی یورتان های الاستیک به عنوان برنامه‌ای برای یافتن جایگزینی برای لاستیک در طول روزهای جنگ جهانی دوم آغاز شد. در سال 1940، اولین الاستومرهای پلی یورتان تولید شد. این ترکیبات را می‌توان در واقع نوعی آدامس دانست که به عنوان جایگزین مناسب لاستیک مورد استفاده قرار می‌گیرد. دانشمندان دریافتند که می‌توان از پلی یورتان ها رشته‌های ظریفی تولید و با نایلون ترکیب کرد تا در نتیجه آن لباس‌های سبک‌تری ایجاد کرد.
در سال 1953، اولین تولید تجاری کف پلی یورتان انعطاف‌پذیر در ایالات متحده آغاز شد. این ماده برای عایق‌بندی کف مفید بود. در سال 1956، فوم‌های انعطاف‌پذیرتر و ارزان‌تر معرفی شدند. در اواخر دهه 1950، پلی اورتان هایی که قابلیت تولید را داشتند، تولید شدند. در طول سال‌ها، پلیمرهای بهبود یافته پلی یورتان از جمله الیاف Spandex پوشش‌های پلی یورتان و الاستومرهای ترموپلاستیک را ساخته‌اند.
مواد خام در تولید پلی یورتان
در مورد چگونگی تولید پلی یورتان ها از مواد اولیه متنوعی استفاده می‌شود؛ که شامل مونومرها، پیش پلیمرها و تثبیت‌کننده‌هایی که از یکپارچگی پلیمر و مواد رنگی محافظت می‌کنند.
ایزوسیانات ها
یکی از اصلی‌ترین مواد واکنشی مورد نیاز در چگونگی تولید پلی یورتان ها دی ایزوسیانات ها هستند. این ترکیبات توسط یک گروه (NCO) مشخص می‌شوند که الکل‌های بسیار واکنش‌پذیری هستند. ایزوسیانات های به کار رفته در تولید پلی یورتان، تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و ایزوسیانات پلیمری (PMDI) هستند. TDI با افزودن گروه‌های نیتروژن به تولوئن، واکنش دادن آن‌ها با هیدروژن برای تولید دیامین و جدا سازی ایزومرهای ناخواسته تولید می‌شود. PMDI با واکنش فسژناسیون از پلی آمین‌های آنیلین–فرمالدئید به دست می‌آید. علاوه بر این ایزوسیانات ها، مواد نهایی بالاتر نیز موجود هستند. این مواد شامل موادی مانند نفتالین دی ایزوسیانات و بیتولن دی ایزوسیانات است. این مواد گران‌تر می‌توانند بخش‌های سخت و ذوب بیشتری را در الاستومرهای پلی یورتان ایجاد کنند.
بیشتر بخوانید : ساندویچ پانل پلی اورتان
پلی ال ها
از دیگر گونه‌های واكنش دهنده مورد نیاز در چگونگی تولید پلی یورتان ها، تركیباتی هستند كه حاوی گروه‌های الكلی متعدد (OH) هستند كه پلی ال نامیده می‌شوند. موادی که غالباً برای این منظور استفاده می‌شوند، پلی‌اتیلن‌های پلی اتر هستند که پلیمرهایی هستند که از اترهای حلقوی تشکیل شده‌اند. آن‌ها معمولاً از طریق فرآیند پلیمریزاسیون اکسید آلکیلن تولید می‌شوند. آن‌ها پلیمرهایی با وزن مولکولی بالا هستند که دارای دامنه وسیعی از گرانروی هستند. برای تولید پلی یورتان ها از انواع پلی‌اتیلن‌های پلی اتر استفاده می‌شود که شامل پلی‌اتیلن گلیکول، پلی‌پروپیلن گلیکول و پلی تترامیلن گلیکول می‌باشد. این مواد معمولاً زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که از پلی یورتان موردنظر برای ساخت کف‌های انعطاف‌پذیر یا الاستومرهای ترموست استفاده شود.
از پلی ال های پلی‌استر همچنین ممکن است به عنوان گونه‌ای واکنش دهنده در تولید پلی یورتان ها استفاده شود. آن‌ها را می‌توان به عنوان محصول جانبی تولید اسید ترفتالیک به دست آورد. آن‌ها به طور معمول بر اساس اسیدهای کربوکسیلیک معطر اشباع و دیول ها ساخته می‌شوند. از پلی ال های پلی‌استر منشعب برای کف و پوشش‌های پلی یورتان استفاده می‌شود. پلیول های پلی‌استر بیشترین گونه واکنش دهنده برای تولید پلی یورتان ها بودند. با این حال، پلی‌اتیلن‌های پلی اتر به طور قابل توجهی هزینه کمتری پیدا کرده و پلی ال های پلی‌استر را جایگزین کرده‌اند.
مواد افزودنی
برخی از مواد پلی یورتان می‌توانند حساس به آسیب ناشی از گرما، نور، آلاینده‌های جوی و کلر باشند. به همین دلیل برای محافظت از پلیمر، تثبیت‌کننده‌هایی اضافه می‌شوند. یک نوع تثبیت‌کننده که در برابر تخریب نور از آن محافظت می‌کند، یک صفحه نمایشگر UV به نام هیدروکسی بنزو تیازول است. برای محافظت در برابر واکنش‌های اکسیداسیون، از آنتی‌اکسیدان استفاده می‌شود. آنتی‌اکسیدان‌های مختلفی از جمله فنل های مونومر و پلیمری موجود است. ترکیباتی که باعث تغییر رنگ ناشی از آلاینده‌های جوی می‌شوند نیز ممکن است اضافه شود. این‌ها معمولاً موادی با عملکرد آمین سوم هستند که می‌توانند با اکسیدهای نیتروژن در آلودگی هوا تعامل داشته باشند. برای کاربردهای خاص، مواد افزودنی ضد لک به محصول پلی یورتان اضافه می‌شود.
پس از تشکیل و خارج شدن پلیمرها از رگ‌های واکنش، به رنگ سفید دیده می‌شوند؛ بنابراین، ممکن است رنگ‌های اضافه شوند تا ظاهر زیبایی آن‌ها تغییر کند. ترکیبات کووالانسی رایج برای الیاف پلی یورتان رنگ‌های اسیدی پراکنده هستند.
برای کسب اطلاعات بیشتر درباره ساندویچ پانل صنعتی کلیک کنید.
انواع پلی یورتان و کاربردهای آن‌ها
پلی یورتان ها را می‌توان به چهار شکل مختلف از جمله الاستومرها، پوشش‌ها، فوم‌های انعطاف‌پذیر و فوم‌های متقاطع تولید شوند.
الاستومرها
الاستومرها موادی هستند که می‌توانند کشیده شوند اما در نهایت به شکل اولیه خود برمی‌گردند. آن‌ها در کاربردهایی که به قدرت، انعطاف‌پذیری، مقاومت در برابر سایش و کیفیت جذب شوک نیاز دارند، مفید هستند.
الاستومرهای پلی یورتان ترموپلاستیک را می‌توان قالب‌بندی و به قطعات مختلفی شکل داد. این باعث می‌شود که آن‌ها به عنوان مواد پایه برای قطعات خودرو، چکمه‌های اسکی، چرخ‌های اسکیت غلتکی، کت‌های کابلی و سایر کالاهای مکانیکی مفید باشند. وقتی این الاستومرها به الیاف تبدیل می‌شوند، ماده انعطاف‌پذیری به نام اسپندکس تولید می‌کنند. از اسپندکس برای ساخت لباس شنا و دیگر لباس‌های ورزشی استفاده می‌شود.
پوشش‌ها
پوشش‌های پلی یورتان در برابر تخریب حلال مقاومت نشان می‌دهند و از مقاومت بسیار خوبی برخوردار هستند. از این پوشش‌ها در سطوحی استفاده می‌شود که نیاز به مقاومت در برابر سایش، انعطاف‌پذیری، پخت سریع، چسبندگی و مقاومت شیمیایی مانند سالن‌های بولینگ دارند. پوشش‌های پلی یورتان مبتنی بر آب برای نقاشی هواپیما، اتومبیل و سایر تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود.
فوم‌های انعطاف‌پذیر پلی یورتان
فوم‌های انعطاف‌پذیر بزرگ‌ترین بازار پلی یورتان ها هستند. این مواد مقاومت بالایی در برابر ضربه دارند و برای ساخت بیشتر بالشتک سازی مبلمان استفاده می‌شود. آن‌ها همچنین مواد تشک‌ها و بالشتک‌های صندلی را در مبلمان با قیمت بالاتر تهیه می‌کنند.
فوم پلی یورتان سفت یا متقاطع
از فوم‌های پلی یورتان برای ساخت داشبورد و آسترهای درب استفاده می‌شود. از دیگر کاربردهای آن می‌توان به زیرانداز فرش، اسفنج، جاروبرقی و روکش داخلی اشاره کرد. از فوم‌های پلی یورتان سفت یا متقاطع برای تولید عایق به صورت تخته یا ورقه ورقه استفاده می‌شود. از لمینت ها در صنعت بام تجاری بسیار استفاده می‌شود. ساختمان‌ها غالباً با کف پلی یورتان پاشیده می‌شوند.
فرآیند چگونگی تولید پلی یورتان
در حالی که از پلیمرهای پلی یورتان برای طیف گسترده‌ای از کاربردها استفاده می‌شود، چگونگی تولید پلی یورتان می‌تواند به سه مرحله مشخص تقسیم شود. ابتدا محصول پلیمری فله ساخته می‌شود. بعد، پلیمر در معرض مراحل مختلف پردازش قرار می‌گیرد. سرانجام، پلیمر به محصول نهایی خود تبدیل شده و ارسال می‌شود.
اولین مرحله چگونگی تولید پلی یورتان: واکنش‌های پلیمری
1. با شروع تولید کف پلی یورتان، مواد اولیه واکنش دهنده به صورت مایعات در مخازن بزرگ و فولاد ضدزنگ نگهداری می‌شوند. این مخازن مجهز به همزن هستند تا مواد را سیال نگه دارند. یک دستگاه اندازه‌گیری به مخازن متصل شده است تا بتوان مقدار مناسب واکنش دهنده را تعیین کند. نسبت معمول پلی ال به دی ایزوسیانات 1: 2 است. از آنجا که نسبت مواد تشکیل دهنده باعث تولید پلیمرهایی با خصوصیات مختلف می‌شود، این نسبت به شدت کنترل می‌شود.
2. مواد واکنش دهنده هنگام انتقال به لوله‌ها از طریق مبدل حرارتی منتقل می‌شوند. مبدل دما را روی سطح واکنش تنظیم می‌کند. در داخل لوله‌ها، واکنش پلیمریزاسیون رخ می‌دهد. با رسیدن مایعات پلیمریزاسیون به انتهای لوله، پلی یورتان از قبل تشکیل شده است. در انتهای لوله یک سر توزیع‌کننده برای پلیمر قرار دارد.
دومین مرحله چگونگی تولید پلی یورتان: پردازش
1. سر توزیع‌کننده پلیمر به خط پردازش متصل می‌شود. برای تولید عایق فوم پلی یورتان سفت و محکم، در آغاز خط فرآوری رول کاغذ پخت پودر می‌شود. این کاغذ در امتداد نوار نقاله منتقل شده و در زیر سر توزیع آورده می‌شود.
2. با عبور کاغذ از زیر، پلی یورتان بر روی آن دمیده می‌شود. همان‌طور که پلیمر توزیع می‌شود، با دی اکسید کربن مخلوط می‌شود که باعث انبساط آن می‌شود. همان‌طور که در امتداد نوار نقاله حرکت می‌کند، همچنان بلند می‌شود. (ورق پلی یورتان به عنوان یک نان شناخته می‌شود زیرا مانند خمیر بالا می‌رود).
3. پس از شروع واکنش انبساط، یک لایه رویی دوم کاغذ رول می‌شود. هر لایه کاغذ حاوی کف پلی یورتان است که به آن شکل می‌دهد. کف سفت و سخت از طریق یکسری پانل‌هایی که عرض و ارتفاع نان کف را کنترل می‌کنند عبور داده می‌شود. همان‌طور که از این بخش از خط تولید عبور می‌کنند، به طور معمول خشک نیز می‌شوند.
4. در پایان خط تولید، عایق کف با اره اتوماتیک به طول موردنظر بریده می‌شود. نان فوم سپس به مراحل پردازش نهایی که شامل بسته‌بندی، انباشته و حمل‌ونقل است منتقل می‌شود.
سومین مرحله چگونگی تولید پلی یورتان: کنترل کیفیت
برای اطمینان از کیفیت مواد پلی یورتان، تولیدکنندگان محصول را در تمام مراحل تولید کنترل می‌کنند. این بازرسی‌ها با ارزیابی مواد اولیه ورودی توسط شیمیدانان کنترل کیفیت آغاز می‌شود. آن‌ها ویژگی‌های مختلف شیمیایی و فیزیکی را با استفاده از روش‌های ثابت آزمایش می‌کنند. برخی از خصوصیاتی که آزمایش می‌شوند شامل PH، وزن مخصوص، ویسکوزیته یا ضخامت هستند. علاوه بر این، ممکن است ظاهر، رنگ و بو نیز مورد بررسی قرار گیرد. تولیدکنندگان دریافته‌اند که تنها با کنترل دقیق کیفیت در شروع تولید می‌توانند اطمینان حاصل کنند که یک محصول نهایی ثابت حاصل می‌شود.
پس از تولید، محصول پلی یورتان آزمایش می‌شود. محصولات پوشش پلی یورتان به همان روشی که مواد اولیه بررسی می‌شود، ارزیابی می‌شود. همچنین ویژگی‌هایی مانند زمان خشک شدن، ضخامت فیلم و سختی آن آزمایش می‌شود. الیاف پلی یورتان برای مواردی از جمله خاصیت ارتجاعی، انعطاف‌پذیری و جذب تست می‌شوند. فوم‌های پلی یورتان بررسی می‌شوند تا از تراکم، مقاومت و انعطاف‌پذیری مناسب برخوردار باشند.
بیشتر بخوانید :
در آخر
کیفیت پلی یورتان ها از زمان تولید اولیه به طور پیوسته بهبود یافته است. تحقیقات در زمینه‌های مختلف برای کمک به ساختن مواد برتر باید ادامه یابد. به عنوان مثال، دانشمندان دریافته‌اند که با تغییر پیش پلیمرهای آغازین می‌توانند الیاف پلی یورتانی ایجاد کنند که دارای ویژگی‌های کششی حتی بهتری هستند. سایر خصوصیات را می‌توان با ترکیب پرکننده‌های مختلف، استفاده از کاتالیزورهای بهتر و اصلاح نسبت‌های پیش پلیمر اصلاح کرد.
علاوه بر خود پلیمرها، احتمالاً پیشرفت‌هایی را در روند چگونگی تولید پلی یورتان ها به وجود خواهد آمد که منجر به تولید پلی یورتان های سریع‌تر، ارزان‌تر و سازگار با محیط زیست می‌شود. روند اخیر در تولید پلی یورتان جایگزینی دی ایزوسیانات های تولوئن با ایزوسیانات های پلیمری فرار کمتر است. همچنین، تولیدکنندگان سعی کرده‌اند عوامل کشنده فلوروکربن کلر را که اغلب در تولید فوم‌های پلی یورتان استفاده می‌شود، از بین ببرند.
