ایزوسیانات‌های آلیفاتیک، ساختار و انواع
همانطور که ذکر شد این ترکیبات دارای گروههای ایزوسیانات متصل به زنجیره خطی و یا سیکلوآلیفاتیک هستند. وجود چنین ساختاری در کنار ایجاد خواص مکانیکی منحصربفرد، مقاومت آنها در برابر فوتواکسیداسیون را افزایش داده و به ماندگاری محیطی آنها کمک می‌کند. پلی‌یورتان‌های برپایه MDI، بعلت تمایل به زردشدگی در معرض نور برای بسیاری از کاربردها از مقبولیت پایینی برخوردارند. تغییر رنگ MDI در برابر نور به تشکیل ترکیب کینون-دی‌ایمید۲ و آنیلید۳ پس از قرارگیری در برابر UV نسبت داده می‌شود. بدلیل این ویژگی، عمده مصرف پلی‌یورتان تولید شده از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک، تولید پوشش‌ها و نیز کاربردهایی است که در آنها حفظ خواص و ماندگاری از اهمیت بالایی برخوردار است (بعنوان مثال فیلم‌های تولید شده از ترموپلاستیک پلی‌یورتان). پوشش‌های پلی‌یورتانی تقریبا ۹۰% و الاستومرها تقریبا ۶% از مصرف ایزوسیانات‌های آلیفاتیک را تشکیل می‌دهند؛ نیمی از مصرف در پوشش‌ها نیز مربوط به کاربردهای خودرویی بوده است. تقریبا ۹۵% از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک مصرف شده در جهان مربوط به استفاده از سه ایزوسیانات آلیفاتیک هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات۴ (۷۰%)، ایزوفورون دی‌ایزوسیانات۵ (۲۰%) و دی‌سیکلوهگزیل‌متان دی‌ایزوسیانات۶ بوده است.
پوشش‌ها در کنار ماندگاری، لازم است خواصی چون شفافیت، دمای Tg بالا و حفاظت در برابر مواد شیمیایی را نیز دارا باشند. برای دست‌یابی به این خصوصیات از توانایی خودواکنشی۷ ایزوسیانات‌ها استفاده می‌شود. خودواکنشهای کراسلینک و تشکیل ایزوسیانورات‌ها، معمول‌ترین واکنش کراسلینک در ایزوسیانات‌های آلیفاتیک است.
برخلاف واکنشهای دیمر شدن، تریمریزاسیون باعث تولید ساختارهای غیرقابل بازگشت می‌شود. استفاده از تریمرهای ایزوسیانات در کنار امکان افزایش دانسیته کراسلینک، موجب بهبود مقاومت در برابر شعله، بهبود مقاومت حرارتی و شیمیایی، بهبود خاصیت تشکیل فیلم۸ و ایمنی بیشتر ناشی از کاهش فشار بخار ایزوسیانات می‌گردد. از میان مونومرهای ذکر شده، HDI به ندرت به شکل مونومری بکار رفته و عمدتا بصورت یک تریمر حلقوی مورد استفاده قرار می‌گیرد. IPDI هم بصورت مونومری و هم بصورت تریمر و H۱۲MDI در شکل مونومری در کاربردهای مختلف استفاده می‌شود. با توجه با اینکه خواص پلی‌یورتان حاصل از این ترکیبات با یکدیگر همپوشانی دارد، استفاده از هریک از آنها و یا مخلوطی از این ترکیبات به ملاحظات مصرف‌کننده بستگی دارد.
خواص حاصل از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک
استفاده از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک بعنوان جزء اصلی و یا عامل کراسلینک‌کننده در پلی‌یورتان‌ها موجب ایجاد خواص ویژه‌های در این پلیمرها می‌گردد؛ برخی از این خواص به شرح زیر است.
۱. ماندگاری و پایداری رنگ. عدم وجود گروههای فنیل در ساختار این ایزوسیانات‌ها موجب می‌شود تا این ترکیبات در مقایسه با انواع آروماتیک تمایل کمتری به اکسید شدن داشته باشند. با توجه به مقاومت عالی باند یورتانی در برابر تابش UV و حفظ رنگ در مدت طولانی، این ترکیبات برای استفاده در محیطهای خارجی و نیز زمانی که در معرض دید هستند مناسب خواهند بود. در نتیجه مقاومت اکسیداسیون، پلی‌یورتان‌های آلیفاتیک خواص مکانیکی و ظاهری (شفافیت و رنگ) خود را به مدت طولانی‌تری نسبت به انواع آروماتیک حفظ می‌کنند.
۲. چسبندگی. بطور کلی پلی‌یورتان‌ها چسبندگی عالی به طیف وسیعی از مواد پایه را ارائه می‌کنند. قابلیت پیوند هیدروژنی با آب و نیز گروههای عاملی موجود در سطح، خاصیت ترکنندگی مؤثر ناشی از انرژی سطحی کم و برهمکنشهای فیزیکی از طریق نیروهای وان‌دروالس عوامل ایجاد این ویژگی در پلی‌یورتان هستند. پلی‌یورتان‌های بدست آمده از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک، بعلت مقاومت محیطی حاصل از این ایزوسیانات‌ها، این خاصیت را در زمانهای طولانی و در محیطهای سخت نیز حفظ می‌کنند.
۳. مقاومت حرارتی و رطوبتی. در برخی از کاربردها مقاومت در شرایط سخت رطوبتی و حرارتی از اهمیت بالایی برخوردار است. بعنوان مثال چسبهای پلی‌یورتان مورد استفاده در وسایل آشپزخانه و یا کفشهای ورزشی باید در دما و رطوبت بالا همچنان چسبندگی خود را حفظ نمایند. با استفاده از انواع آلیفاتیک ایزوسیانات، امکان دست‌یابی به خواص مناسب در شرایط سخت‌تر نسبت به انواع آروماتیک وجود دارد. بعنوان مثال طبق استاندارد EN 204 به منظور طبقه‌بندی چسبهای چوب، بسیاری از چسبهای پلی‌یورتان حاصل از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک در طبقه بندی D4 قرار می‌گیرند.
جدول ۱: طبقه‌بندی طبق استاندارد EN 204
دسته‌بندی | توضیحات |
D1 | حداقل مقاومت خشک MPa 10 (مناسب برای مبلمان و دکوراسیون داخلی) |
D2 | حداقل مقاومت خشک MPa 8 پس از ۳ ساعت غوطه‌وری در آب ۲۰ درجه و سپس خشک شدن |
D3 | مقاومت خشک اولیه MPa 10، مقاومت تر MPa 2 و مقاومت نهایی پس از چند سیکل ۴ روزه غوطه‌وری در آب و سپس خشک شدن، برابر MPa 8 (مناسب برای کاربرد درها و پنجره‌های بیرونی) |
D4 | مقاومت خشک اولیه MPa 10، مقاومت تر MPa 4 و مقاومت نهایی پس از چند سیکل ۶ ساعته غوطه‌وری در آب جوش و سپس خشک شدن، برابر MPa 8 (مناسب برای کاربردهای شرایط سخت: قسمتهای خارجی ساختمان، عرشه کشتی‌ها، مبلمان آشپزخانه و حمام) |
۴. شفافیت. برای کاربردهایی که نیاز به شفافیت چسب، درزگیر یا پوشش است، پلی‌یورتان‌های برپایه ایزوسیانات‌های آلیفاتیک ضمن ارائه خواص چسبندگی فوق‌العاده، بدلیل پایداری و دوام رنگ، شفافیت خود را در طول زمان نیز حفظ می‌نمایند.
۵. کنترل واکنش. ایزوسیانات‌های آلیفاتیک در مقایسه با انواع آروماتیک واکنش کنترل‌شده‌تری دارند و واکنش‌پذیری آنها با انتخاب صحیح میزان گروههای عاملی قابل تنظیم خواهد بود. این ویژگی به خصوص در چسبها موجب افزایش زمان آزاد۹ و انعطاف فرایند مورد استفاده می‌گردد.
۶. استفاده آسان و کاربرپسند. رویکرد عمومی در بسیاری از فرایندهایی که از پلی‌یورتان‌ها استفاده می‌کنند، حرکت به سوی کاربری آسان و ایمن است. استفاده از ایزوسیانات‌های آلیفاتیک، با کاهش ایجاد آمین‌های خطرناک (همچون متیلن بیس‌فنیل آمین یا تولوئن دی‌آمین) -که با استفاده از انواع آروماتیک تولید می‌گردند- و نیز راحتی استفاده در سیستم‌های پایه آبی بعلت عدم نیاز به سرعت اختلاط بالا، کاربری راحت‌تری برای مصرف‌کنندگان فراهم می‌کند.
مطالعه بیشتر: پلی‌استر پلی‌ال‌های برپایه اسیدهای چرب پلیمریزه شده
Aliphatic Diisocyanates (ADI)
- Quinone-diimide
- Anilide formation
- Hexamethylene diisocyanate (HDI)
- Isophorone diisoacyanate (IPDI)
- Dicyclohexylmethane 4,4’-diisocyanate (H۱۲MDI)
- Self-reaction
- Film forming
- Open time
مراجع
- Mark F.Sonnenschein, Polyurethanes: Science, Technology, Markets and Trends, 2021
- Polyurethane Coatings, SpecialChem Article, 2022
- F. Aguirre-Vargas, Thermoset coatings, 2018
بدون دیدگاه