استفاده از روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده در صنعت پلی‌یورتان

روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده^۱ یک دسته از مواد زیست‌پایه هستند که از اپوکسیداسیون اسیدهای چرب غیراشباع موجود در انواع روغن‌های گیاهی مانند روغن سویا^۲ و روغن کتان^۳ به‌دست می‌آیند. این روغن‌ها بعنوان جایگزین‌های پایدار برای محصولات نفتی مرسوم در صنعت پلی‌یورتان شناخته شده‌اند. مواد EVO علاوه بر ایجاد خواص مطلوب در سیستمهای پلی‌یورتانی به کاهش اثر کربنی^۴ در این صنعت کمک می‌کند؛ این مسأله در کنار افزایش میزان تقاضای جهانی برای مواد زیست‌سازگار، موجب توجه بیشتر به این روغن‌ها شده است. قابلیت زیست‌تخریب‌پذیری و طبیعت غیرسمی روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده در کنار هماهنگی آنها با الزامات پایداری، این مواد را به گزینه‌ای جذاب برای تولیدکنندگانی که به‌دنبال کاهش وابستگی به مواد شیمیایی مضر هستند، تبدیل می‌کند.

روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده به دلیل داشتن حلقه‌های اکسیران^۵، واکنش‌پذیری بالایی دارند که آن‌ها را قادر می‌سازد به ترکیبات مختلفی مانند پلی‌ال‌ها -که در سنتز فوم‌های پلی‌یورتان و پوشش‌ها استفاده می‌شوند- تبدیل گردند. استفاده از این ترکیبات در تولید پلی‌یورتان‌های ایزوسیانات و غیرایزوسیانات آن‌ها را به موادی چندمنظوره برای کاربردهای عایق‌بندی، قطعات خودرو و چسب‌ها نیز تبدیل کرده است.

با این وجود افزایش استفاده از مواد EVO بدون چالش نیست. نگرانی‌هایی درباره‌ی تاثیرات زیست‌محیطی بر تولید روغن‌های گیاهی، به‌خصوص در رابطه با از دست دادن تنوع زیستی و رقابت با تامین غذا، نیاز به شیوه‌های کشاورزی پایدار در تامین این مواد را برجسته می‌کند. علاوه بر این، حرکت به سمت استفاده از جایگزین‌های زیست‌پایه با موانعی در مقیاس‌پذیری و صرفه اقتصادی روبرو است که نیازمند تحقیقات و نوآوری‌های مستمر در روش‌های تولید برای ایجاد رقابت‌پذیری با فناوری‌های پلی‌یورتان مرسوم است.

روغن‌های گیاهی عمدتا از تری‌گلیسریدها تشکیل شده‌اند که شامل سه مولکول اسیدچرب و یک مولکول گلیسرول هستند؛ ترکیب آن‌ها تحت تأثیر عواملی همچون گونه گیاهی، شرایط رشد و تغییرات فصلی قرار دارد. بخش قابل‌توجهی از تولید روغن‌های گیاهی به کاربرد در صنعت غذا اختصاص داشته و در سایر کاربردهای صنعتی مختلف از جمله تولید روان‌کننده‌ها، سرفکتانت‌ها، پوشش‌ها و رزین‌ها با مقدار کمتر استفاده می‌شود.

از بین انواع مختلف روغن‌های گیاهی، روغن سویا و روغن کتان به دلیل در دسترس و مقرون‌به‌صرفه بودن برای اپوکسیداسیون مورد استفاده قرار می‌گیرند. فرآیند اپوکسیداسیون شامل تبدیل پیوندهای دوگانه‌ی کربن-کربن به اپوکسیدها از طریق روش‌های مختلف مانند استفاده از پراکسی‌اسیدها^۶ یا کاتالیست‌های فلزات واسطه است. این تبدیل در بهبود خواص روغن‌های گیاهی نقشی اساسی داشته و آن‌ها را برای استفاده در صنعت پلی‌یورتان مناسب می‌سازد؛ جایی که روغن‌های اپوکسید‌شده می‌توانند به‌عنوان جایگزین‌های زیست‌پایه برای محصولات نفتی عمل کنند.

خواص روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده

روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده دارای چندین ویژگی متمایز هستند که آن‌ها را در کاربردهای صنعتی مختلف، به‌ویژه در تولید پلی‌یورتان‌ها، ارزشمند می‌سازد. این روغن‌ها از اسیدهای چرب غیراشباع و متیل‌استرهای اسیدهای چرب از طریق یک فرآیند انتخابی اپوکسیداسیون بدست می‌آیند؛ در این فرایند حلقه‌های اکسیران به ساختار آن‌ها اضافه شده و واکنش‌پذیری و انعطاف‌پذیری عملکردی آن‌ها را افزایش می‌دهد.

خواص شیمیایی

اپوکسید‌شدن روغن‌های گیاهی شامل واکنش روغن‌های غیراشباع با عوامل اپوکسید‌کننده مانند پراکسید هیدروژن (H2O2) در حضور کاتالیست‌هایی مانند فرمیک اسید یا سولفوریک اسید است. این فرآیند منجر به تشکیل ترکیبات اسید چرب اپوکسید‌شده می‌شود که به‌خاطر حلقه‌های اکسیران بسیار واکنش‌پذیر هستند. این حلقه‌ها می‌توانند تحت واکنشهای مختلفی قرار گرفته و محصولات متنوعی از جمله الکل‌ها، پلی‌ال‌ها و پلیمرهای اپوکسی را برای استفاده در کاربردهای مختلف تولید نمایند.

واکنش‌پذیری حلقه اکسیران برای سنتز پلی‌ال‌ها و پیش‌پلیمرهای مورد استفاده در تولید پلی‌یورتان بسیار مورد اهمیت است. واکنش‌های باز شدن حلقه، امکان ادغام با گروه‌های عاملی دیگر را ایجاد کرده و دامنه کاربرد این مواد در فوم‌ها و پوشش‌های پلی‌یورتانی را افزایش می‌دهد.

خواص مکانیکی و حرارتی

مواد EVO تاثیر قابل‌توجهی بر خواص مکانیکی و حرارتی پلی‌یورتان‌ها دارند. نسبت پلی‌ال به ایزوسیانات در فرمولاسیون‌های پلی‌یورتان، سختی و انعطاف‌پذیری پلیمر حاصل را تعیین می‌کند؛ بطوریکه مقادیر بالاتر ایزوسیانات منجر به تولید مواد سخت‌تر و پلی‌ال اضافی منجر به محصولات نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر می‌شود. افزودن روغن‌های اپوکسید‌شده بدلیل ساختار منحصربه‌فرد آن‌ها که شامل هر دو بخش سخت و نرم در ماتریس پلیمری هستند، می‌تواند انعطاف‌پذیری فوم‌های پلی‌یورتان را افزایش دهد.

در زمینه‌ی پایداری حرارتی، حضور روغن‌های اپوکسی‌شده می‌تواند دمای شروع تجزیه فوم‌های پلی‌یورتان را تحت تاثیر قرار دهد. تحقیقات نشان می‌دهند که خواص حرارتی فوم‌های پلی‌یورتان حاصل از مواد EVO ممکن است بسته به غلظت پرکننده‌ها و تراکم کلی فوم متفاوت باشد؛ بطوریکه فوم‌های با تراکم بالاتر معمولاً دارای استحکام مکانیکی و پایداری حرارتی بالاتری هستند.

کاربرد روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده در صنعت پلی‌یورتان

همانطور که در گذشته ذکر گردید، استفاده از روغن‌های گیاهی اپوکسید‌شده در صنعت پلی‌یورتان به دلیل پتانسیل آنها بعنوان مواد خام پایدار، مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از این مواد زیست‌پایه بدلیل توجه به فرایندهای دوستدار محیط زیست در تولید انواع فوم‌ها و الاستومرهای پلی‌یورتان نیز رواج پیدا کرده است. روغن‌های گیاهی اپوکسیدشده مانند روغن سویا و روغن کلزا از طریق فرایندهایی مانند اپوکسیداسیون و سپس واکنش‌های بازشدن حلقه، به پلی‌ال‌های زیست‌پایه تبدیل می‌شوند. این پلی‌ال‌های زیست‌پایه بعنوان جزء اصلی در سنتز فوم‌های پلی‌یورتان عمل کرده و امکان تولید فوم‌های سخت و انعطاف‌پذیر برای استفاده در کاربردهای مختلف از جمله عایق‌کاری، قطعات خودرو و مبلمان را فراهم می‌کنند. انتخاب روغن گیاهی، خواص نهایی فوم را تحت تأثیر قرار داده و امکان سفارشی‌سازی براساس نیازهای عملکردی خاص را فراهم می‌کند. برخی از کاربردهای مربوط به این روغن‌ها عبارتند از:

فوم‌های پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر و سخت. فوم‌های تولید شده از روغن‌های گیاهی اپوکسیدشده بسته به فرمولاسیون و شرایط فرآوری آنها، محدوده‌ای از خواص مکانیکی را نشان می‌دهند. تحقیقات نشان داده است که این فوم‌ها می‌توانند بصورت ساختارهای سلولی باز یا بسته طراحی شوند که انعطاف‌پذیری و سختی آنها را تحت تأثیر قرار می‌دهد. فوم‌های تهیه شده از روغن‌های EVO معمولا دارای پایداری حرارتی و مقاومت در برابر شعله بهبود یافته هستند که کاربرد آنها در بخش‌های ایمنی‌محور را گسترش می‌دهد.
چسب‌ها و پوشش‌ها. وجود گروههای اپوکسید در مواد EVO موجب بهبود خواص چسبندگی پلی‌یورتان شده و موجب سازگاری بهتر آن‌ها با بستر^۸های فلزی، پلاستیکی و چوبی می‌گردد. روغن‌های گیاهی اپوکسیدشده همچنین در توسعه چسب‌ها و پوشش‌های پلی‌یورتان غیرایزوسیاناتی^۹ مورد استفاده قرار می‌گیرند. مطالعات اخیر اثربخشی چسب‌های NIPU برپایه ساکاروز را در چسباندن محصولات چوبی با ویژگی‌های خوب در دماهای پخت پایین از طریق استفاده از عوامل اتصال‌دهنده نشان داده‌اند. علاوه بر این، پوشش‌های NIPU اکریلات تهیه شده از روغن‌های اپوکسید شده با قابلیت پخت تابشی^۱۰ به دلیل زمان پخت سریع و نیازهای انرژی پایین برای کاربردهای صنعتی مختلف بسیار مناسب هستند.
بهبود خواص پلی‌یورتان. روغن‌های EVO بدلیل ساختار شیمیایی که دارند می‌توانند موجب بهبود انعطاف‌پذیری و چقرمگی پلی‌یورتان‌ها گردند. این خصوصیت آن‌ها را به انتخابی مناسب جهت فرموله کردن پوشش‌ها، فوم‌ها و الاستومرها تبدیل می‌سازد.

روشهای تولید

تولید روغن‌های گیاهی اپوکسیدشده معمولا از طریق فرایند شیمیایی اپوکسیداسیون صورت می‌پذیرد. در این فرایند باندهای دوگانه موجود در زنجیره‌های اسیدچرب روغن‌های گیاهی با یک عامل اکسیدکننده واکنش می‌دهند تا گروه اپوکسی تشکیل شود. این تغییر شیمیایی موجب افزایش واکنش‌پذیری روغن شده و موجب ایجاد خصوصیاتی می‌گردد که آن را برای استفاده در کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد. روشهای معمول برای تولید این مواد بصورت زیر است.

اپوکسیداسیون با پراسید. در این فرایند -که رایج‌ترین فرایند برای تولید این مواد است- از یک پراسید همچون پراستیک اسید یا پرفرمیک اسید بعنوان عامل اکسیدکننده استفاده می‌شود. روغن گیاهی در حضور حلال و کاتالیست هموژن با پراسید مخلوط شده و واکنش تحت شرایط کنترل شده انجام می‌گردد. پراسید یک اتم اکسیژن به باندهای دوگانه موجود اضافه کرده و تشکیل حلقه اپوکسی را می‌دهد.

مطالعه بیشتر: پلی‌یورتان‌های برپایه روغن‌های گیاهی و کاربردهای آنها

اپوکسیداسیون برپایه کلر (روش کلروهیدرین^۱۱). در این روش ابتدا افزودن کلر به روغن گیاهی موجب تشکیل کلروهیدرین می‌گردد. واکنش بعدی کلروهیدرین با یک باز همچون هیدروکسیدسدیم موجب جانشینی اتم کلر با اتم اکسیژن و تشکیل حلقه اپوکسی می‌شود. فرایند برپایه کلر تنها برای برخی از روغن‌های گیاهی در مقیاس صنعتی پیاده‌سازی شده است.
اپوکسیداسیون با فرایند ازنولیز^۱۲. این فرایند از ازن بعنوان عامل اکسیدکننده استفاده می‌کند. عبور گاز ازن از بستر روغن گیاهی موجب تشکیل ترکیبات ازنید^۱۳ می‌شود و سپس بوسیله عوامل کاهنده به تولید حلقه اپوکسی منجر می‌شود. این فرایند از نظر تجاری بسیار کم مورد استفاده قرار گرفته است.
روش اتواکسیداسیون کاتالیستی. این روش از اکسیداسیون کاتالیستی با عوامل فنتون^۱۴ در حضور اکسیژن هوا برای اکسیداسیون باند دوگانه به گروه اپوکسی استفاده می‌کند. این فرایند از مواد شیمیایی کمتری استفاده می‌کند و از نظر زیست‌محیطی خطرات کمتری دارد؛ اما سرعت واکنش نسبتا کم بوده و تولید محصولات جانبی منجر به عملیات خالص‌سازی نهایی می‌گردد.
اپوکسیداسیون آنزیمی. این شیوه -که همچنان در مراحل تحقیق و توسعه قرار دارد- از آنزیم‌های خاص همچون لیپاز^۱۵بعنوان کاتالیست واکنش تشکیل گروههای اپوکسی استفاده می‌کند. اپوکسیداسیون آنزیمی مصرف انرژی بسیار کمی در مقایسه با سایر روش‌ها داشته و سازگاری بسیار بالایی را با محیط‌زیست از خود نشان می‌دهد.