پلی‌یورتان‌ها یکی از پرکاربردترین پلیمرها هستند که با توجه به برخورداری از خواص ویژه‌ای همچون استحکام مکانیکی زیاد، انعطاف‌پذیری عالی و مقاومت شیمیایی مناسب بطور گسترده در صنایع مختلف همچون ساختمان‌سازی، خودروسازی، مبلمان و پوشش استفاده می‌شوند. پلییورتانهای متداول از واکنش ایزوسیانات‌ها و پلی‌ال‌ها یا همان الکل‌های چندعاملی تولید می‌گردند؛ ایزوسیانات‌ها مواد شیمیایی بسیار سمی و خطرناکی هستند که از منابع پتروشیمی بدست می‌آیند. نگرانی‌های زیست‌محیطی و سلامتی مرتبط با این مواد، مانند ماهیت سرطان‌زای آنها و سهم آنها در انتشار کربن، موجب پیشرفت تحقیق و توسعه برای دست‌یابی به جایگزین‌های ایمن‌تر و پایدارتر در این زمینه شده است. پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی۱ بعنوان یک راه‌حل امیدوارکننده برای ایجاد محصولات ایمن‌تر و سبزتر پلی‌یورتان معرفی شده‌اند. یکی از ویژگیهای بارز این پلیمرها، امکان تولید آنها از مواد اولیه تجدیدپذیر و طبیعی مانند روغنهای گیاهی است. NIPUهای حاصل از روغنهای گیاهی نه تنها وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهند، بلکه با کاهش اثرات منفی، با اصول شیمی سبز۲ نیز همسو می‌گردند. نوشتار حاضر بطور خلاصه به بررسی خواص، روشهای تولید و مواد مورد استفاده در تولید پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی و پتانسیل آنها بعنوان یک جایگزین پایدار برای پلییورتانهای متداول می‌پردازد.
مقایسه پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی و انواع متداول
پلییورتانهای متداول از واکنش پلیمریزاسیون افزایشی بین پلی‌ال‌ها و ایزوسیانات‌ها تولید می‌شوند. ایزوسیانات‌ها بعنوان یکی از اجزای اصلی در تولید پلی‌یورتان، بدلیل سمیت بالا و خطرات زیست‌محیطی، چالش‌های جدی را ایجاد می‌کنند. در مقابل، پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی با استفاده از فرایندهای شیمیایی گوناگون و بدون نیاز به ایزوسیانات‌ها تولید می‌شوند. این پلیمرها، اغلب از منابع تجدیدپذیر مانند روغنهای گیاهی بعنوان ماده اولیه بهره می‌برند که این امر، آنها را به گزینه‌ای پایدارتر و دوستدار محیط زیست تبدیل می‌کند. NIPUها دارای خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوبی هستند که آنها را برای استفاده در کاربردهای مختلف مناسب می‌سازد.
جدول ۱ : مقایسه پلییورتانهای متداول با انواع غیرایزوسیاناتی (NIPU)
| ویژگی | پلی‌یورتان متداول | پلی‌یورتان غیرایزوسیاناتی |
| ماده اولیه | ایزوسیانات‌ها (سمی و خطرناک) و پلی‌ال‌ها | روغنهای گیاهی (تجدیدپذیر و زیست‌سازگار) و سایر مواد اولیه غیرایزوسیاناتی |
| سمیت | بالا | پایین |
| پایداری | کمتر | بیشتر |
| روش تولید | واکنش پلیمریزاسیون افزایشی | واکنش‌های شیمیایی متنوع (مانند اپوکسی، سیکل کربنات و …) |
| خواص | متنوع و قابل تنظیم | متنوع و در حال توسعه |
| کاربردها | گسترده | در حال گسترش و مشابه انواع متداول |
| هزینه تولید | معمولا پایین‌تر | در حال توسعه و با پتانسیل کاهش هزینه |
از نظر خواص، NIPUها مقاومت مکانیکی، حرارتی و شیمیایی قابل مقایسه یا حتی بهتری نسبت به پلییورتانهای متداول نشان می‌دهند. این مواد اغلب پایداری هیدرولیتیکی بهتری دارند که آنها را برای کاربرد در محیط‌های مرطوب یا در تماس با آب مناسب می‌سازد. در نقطه مقابل، پلیمریزاسیون این مواد کند بوده و زمانهای واکنش طولانی‌تری نیز دارند.
خواص پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی
خواص NIPUها، تا حد زیادی به نوع مواد اولیه مورد استفاده و روش تولید آنها بستگی دارد. این تنوع در مواد اولیه و روشهای سنتز، امکان تولید پلی‌یورتان‌هایی با خواص گوناگون را فراهم می‌کند. برخی از خواص مهم پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی عبارتند از:
- خواص مکانیکی: NIPUها می‌توانند استحکام کششی، مقاومت خمشی، مقاومت ضربه و مدول الاستیسیته قابل قبولی از خود نشان دهند. با این حال، تحقیقات بیشتری برای بهبود این خواص و رسیدن به سطحی مشابه یا برتر از پلییورتانهای متداول مورد نیاز است.
- خواص حرارتی: مقاومت حرارتی NIPUها -که نقش مهمی در کاربردهای آنها در دماهای بالا ایفا می‌کند- معمولا بالا بوده و با انتخاب مواد اولیه مناسب و بهینه‌سازی شرایط واکنش قابل بهبود است. این ترکیبات ذاتا دارای خواص مقاومت در برابر شعله هستند که نیاز به ترکیبات اضافی برای رسیدن به این ویژگی را حذف می‌کند.
- خواص شیمیایی: مقاومت شیمیایی پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی در برابر حلال‌ها، اسیدها، بازها و سایر مواد شیمیایی، یکی از جنبه‌های مهم در تعیین کاربرد آنها است.
- زیست‌تخریب‌پذیری: یکی از مزایای کلیدی NIPUها، پتانسیل زیست‌تخریب‌پذیری آنها در شرایط مناسب است. این خاصیت، آنها را به گزینه‌ای جذاب برای کاهش اثرات زیست‌محیطی پلاستیک‌ها تبدیل می‌کند. علاوه بر این، فرایند تولید این مواد نیز بعلت حذف ایزوسیانات سازگاری بیشتری با محیط زیست دارد.
- خواص سطح: خواص سطح این مواد همچون آب‌گریزی یا آب‌دوستی، می‌تواند با استفاده از روشهای مختلف اصلاح سطح، تغییر داده شود.
روشهای تولید پلی‌یورتان غیرایزوسیاناتی
رایج‌ترین شیوه تولید NIPU ها بر اساس واکنش پلی‌سیکلو‌کربنات‌ها۳ و پلی‌آمین‌ها۴ است. شبکه‌‌های NIPU از طریق واکنش بین اولیگو‌مرهای پلی‌سیکلو‌کربنات و پلی‌آمین‌های آلیفاتیک یا سیکلوآلیفاتیک با گروههای آمین نوع اول بدست می‌آیند. مواد حاصل از این واکنش‌ها پلی‌هیدروکسی‌یورتان۵ نامیده می‌شوند، زیرا این مواد همچنین گروههای هیدروکسیل را نیز در طول زنجیره ماکرومولکولی خود دارند. این گروههای هیدروکسیل، پیوندهای هیدروژنی میان مولکولی و درون‌مولکولی با گروه یورتان ایجاد می‌کنند که به این PHUها استحکام شیمیایی و فیزیکی بیشتری می‌بخشد.
اولیگو‌مرهای سیکلوکربنات از طریق روشهای مختلف و استفاده از سیستم‌های کاتالیستی متفاوت تولید می‌گردند. رایج‌ترین و مؤثرترین روش، سیستم دی‌اکسید کربن و اپوکسیدها است که بدلیل در دسترس بودن مواد و سادگی فرآیند، استفاده گسترده‌ای دارد. این روش برای اپوکسیدهای روغنهای گیاهی مانند روغن سویا اپوکسیدشده برای دست‌یابی به پلییورتانهای با منشأ کاملا زیستی نیز قابل انجام است. واکنش گشایش حلقه کربنات‌های حلقوی دوعاملی پنج‌کربنه -که معمولاً از واکنش دی‌اکسیدکربن ارزان و فراوان با اکسیران‌ها حاصل می‌شود- با دی‌آمین‌ها منجر به تولید یک پلی‌یورتان غیرایزوسیاناتی زیست‌پایه می‌شود.
روغنهای گیاهی مورد استفاده در تولید NIPUها
یکی از مزایای کلیدی تولید پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی، سازگاری آنها با طیف وسیعی از مواد اولیه از جمله روغنهای گیاهی مختلف و آمین‌های زیست‌پایه است. این انعطاف‌پذیری امکان سفارشی‌سازی این پلی‌یورتان‌ها برای برآوردن الزامات کاربردهای خاص را فراهم می‌کند. روغنهای گیاهی جدا از زیست‌تخریب‌پذیر بودن و تجددپذیری از نظر گروههای عاملی تنوع بالایی دارند که آنها را به گزینه ایده‌آل برای سنتز NIPUها تبدیل می‌کند.
برای تولید این نوع از پلی‌یورتان‌ها، روغنهای گیاهی خوراکی و غیرخوراکی قابل استفاده هستند و تبعا گونه‌های غیرخوراکی بعلت عدم دخالت در زنجیره غذایی از اولویت بالاتری برخوردار هستند. مهمترین روغنهای مورد استفاده به ترتیب اهمیت عبارتند از:
- روغن کرچک۶. این روغن دارای محتوای بالای ریسینولئیک اسید۷ بوده که علاوه بر مقدار زیاد باندهای دوگانه حاوی گروههای هیدروکسیل نیز است. واکنش مستقیم از طریق گروه هیدروکسیل و خصوصیات مکانیکی و شیمیایی این ماده، آن را به یکی از بهترین گزینه‌ها برای تولید NIPUها مبدل می‌کند.
- روغن دانه کتان یا روغن بزرک. این روغن که دارای محتوای بالای لینولئیک اسید۸ است، بعلت وجود باندهای دوگانه زیاد برای اصلاح شیمیایی از طریق اپوکسیداسیون بسیار مناسب است. استفاده از این ماده خواص مکانیکی و شیمیایی مطلوبی را در پلی‌یورتان نهایی ایجاد می‌کند.
- روغن جاتروفا. این روغن از نوع غیرخوراکی بوده و دارای محتوای زیاد اولئیک۹ و لینولیئیک اسید است. با توجه به ماهیت غیرخوراکی‌بودن، در زنجیره غذایی قرار نگرفته و بیشتر در دسترس است.
- روغن لیگنین. لیگنین یک پلیمر آلی با ساختار پیچیده است که در دیواره سلولی گیاهان بویژه چوب یافت می‌شود. این ماده دارای ساختار آروماتیک و گروههای هیدروکسیل زیادی است که موجب واکنش‌پذیری بالای آن و امکان استفاده در پلی‌یورتان بعنوان خوراک اولیه می‌شود. لیگنین یک محصول جانبی در فرایند تولید کاغذ است و استفاده از آن به کاهش ضایعات صنعتی نیز کمک می‌کند. سختی، پایداری حرارتی و مقاومت در برابر UV از ویژگیهای آن است.
جمع‌بندی
پلییورتانهای غیرایزوسیاناتی تولیدشده با استفاده از منابع تجدیدپذیر و طبیعی مانند روغنهای گیاهی، گزینه‌ای مناسب برای کاهش اثرات منفی پلییورتانهای متداول هستند. به نظر می‌رسد این پلیمرها بدلیل ویژگیهای شیمیایی، مکانیکی و زیست‌محیطی برتر، به تدریج در صنایع مختلف به جایگزین مناسبی برای پلییورتانهای ایزوسیاناتی تبدیل گردند. البته، بهینه‌سازی فرآیند تولید و کاهش هزینه‌های آن می‌تواند نقش مهمی در گسترش استفاده از NIPUها ایفا کند.
non-Isocyanate Polyurethane (NIPU)
Green Chemistry
Polycyclic Carbonate
Polyamine
Polyhydroxyurethane (PHU)
- Castor oil
- Ricinoleic acid
- Linoleic acid
- Oleic acid
مراجع
- Marwah Rayung, RSC Advances, 2024, 14
- Moyeenuddin Ahmad Sawpan, Journal of Polymer Research, 2018, 25
- Gabriel Rokicki, Polymers Advanced Technologies, 2015, 26
- Guifeng Liu, Progress in Organic Coatings, 2017, 112
بدون دیدگاه