پلی یورتان ها دسته منحصر به فردی از مواد هستند که می توانند در کاربردهای مختلفی مانند فوم های فلکسیبل، فوم های سخت، پوشش ها، چسب ها، الاستومرها، درزگیرها و فیلم ها استفاده شوند. از بین این انواع، فوم های مبتنی بر پلی یورتان تقاضای بالایی دارند. پلی یورتان نیز مانند سایر پلیمرها به مواد خام مبتنی بر نفت وابسته است. مواد اصلی مورد نیاز برای سنتز پلی یورتان، ایزوسیانات و پلی ال ها هستند. فوم های پلی یورتان پرمصرف ترین مواد در صنعت خودرو بوده که از آن برای ساخت عایق های تعلیق، ضربه گیرها، صندلی های خودرو و سایر قطعات داخلی استفاده می شود. این فوم ها همچنین در صنایع مختلفی مانند مبلمان، عایق کاری، پزشکی و لوازم خانگی استفاده می شوند. کاربردهای جدیدتری مانند حذف روغن از آب نیز ذکر شده است. علاوه بر واکنش اصلی، ساخت فوم پلی یورتان به واکنش دهنده های اضافی مانند عامل فوم زا و سورفکتانت نیاز دارد. با گسترش سلول‌ها، عوامل فوم زا حجم را افزایش داده و سورفکتانت‌ها سلول‌های فوم را تثبیت می‌کنند. به دلیل سازگاری با محیط زیست، آب رایج ترین عامل فوم زای شیمیایی است. آب با ایزوسیانات واکنش داده و اسید کاربامیک ایجاد می کند که پایدار نبوده و بلافاصله به آمین و دی اکسید کربن تجزیه می گردد.(شکل ۱)
تطبیق پذیری در کاربرد، نمودی از مقدار و نوع مواد اولیه و همچنین برخی افزودنی ها برای رسیدن به فرم نهایی است. از آنجایی که این مواد خام عمدتاً بر صنعت پتروشیمی متمرکز شده‌اند، مشکلاتی مانند ثبات قیمت، مواد اولیه ناکافی و مهم‌تر از آن آلودگی مواد شیمیایی خطرناک و انتشار گازهای گلخانه‌ای مخرب زیست‌محیطی در حال افزایش است. در مقایسه با محصولات محدود و مخرب زیست‌محیطی وابسته به نفت، محصولات کشاورزی مانند روغن‌های گیاهی نه تنها پایدار بوده، بلکه دوستدار محیط زیست نیز هستند. روغن‌های گیاهی فراوان بوده و حاوی تری گلیسیرید به‌عنوان عنصر اصلی هستند که چیزی جز استرهای گلیسرول و اسید چرب نبوده و آن ها را به یک منبع پلی ال بسیار ارزشمند تبدیل می‌کند. شکل ۲ ساختار تری گلیسیرید را نشان می دهد.
مزیت دیگر استفاده از این فرآورده های روغن نباتی، زیست تخریب پذیری، حلالیت در اکثر حلال های تجاری، قیمت مناسب و چشم انداز تولید محصولات صنعتی پرکاربرد و مفید است. ویژگی های پلی یورتان ارتباط نزدیکی با پلی الی که از آن گرفته شده است دارد. بسیار ضروری است که پلی ال، عملکرد مورد نیاز را طبق برنامه ارائه دهد. نگرانی در مورد اثرات بهداشتی بر محیط زیست، یک عامل محرک مهم برای جایگزینی کل یا بخشی از پیش سازهای مبتنی بر نفت برای PU با پیش سازهای مشتق شده از پیش سازهای کشاورزی است. استفاده از اجزای منابع تجدیدپذیر که تمام ایده های توسعه پایدار را برآورده می کند، یک استراتژی نوآورانه و سازگار با محیط زیست برای سنتز پلیمر است. روغن های گیاهی روغن هایی هستند که از دانه ها یا قسمت های دیگر گیاهان مانند میوه ها به دست می آیند.
فوم‌های پلی‌یورتان ریجید از پلی‌ال‌های مبتنی بر روغن‌های گیاهی:
فوم های PU ریجید عمدتاً به عنوان ماده عایق در صنعت ساختمان و همچنین به عنوان یک ماده عایق در لوازم خانگی مانند یخچال و فریزر استفاده می گردد. عملکرد اصلی این فوم ها به حداقل رساندن سطح نویز و اطمینان از ثابت بودن دما است. خواصی مانند هدایت حرارتی، نفوذ حرارتی و گرمای ویژه برای چنین کاربردهایی حیاتی می شوند. هدایت حرارتی فوم ها عمدتاً با هدایت حرارتی گاز محبوس شده در سلول های فوم تعیین می گردد. ماهیت گروه های هیدروکسیل نیز نقش مهمی در هدایت حرارتی ایفا می کند، زیرا گروه های هیدروکسیل اولیه در مقایسه با گروه های ثانویه سریعتر واکنش نشان می دهند. این یک شبکه سه بعدی ضعیف ایجاد می کند که در حفظ گاز دی اکسید کربن تولید شده در طی واکنش فومینگ ضعیف است. Hu و همکارانش نیز به همین نتیجه رسیدند که با استفاده از روغن کلزا فوم های ریجیدی ساختند و دریافتند که واکنش پذیری کلی، سرعت انبساط و ژل شدن کمتر از زمانی است که از محصول نفتی استفاده می گردد. خواص فیزیکی نیز پایین تر بود. علاوه بر کاهش مقاومت فشاری، تراکم ظاهری فوم و ساختار سلول بسته نیز کاهش یافت. خواص عایق حرارتی نیز با افزایش مقدار پلی ال بر اساس روغن کلزا تأثیر منفی نشان داد. در غلظت بالاتر پلی‌ال مبتنی بر روغن کلزا، اختلاط آن با پلی‌ال مبتنی بر نفت و سرعت واکنش کندتر مسئله اصلی بود. همچنین مشخص شد که ساختار به دلیل اختلاط ضعیف پلی ال با پلی ال مبتنی بر نفت و سرعت واکنش کندتر آن، ضعیف شده است. در تعیین محتوای سلول باز و بسته، نقش عوامل فوم زا بسیار مهم بوده که خواص مکانیکی فوم را نیز تعیین می کند. معمولاً از آب به عنوان یک عامل فوم زا استفاده می گردد، اما مایعاتی مانند سیکلوپنتان،n -پنتان، متیل کلراید و همچنین استون اغلب به دلیل نقطه جوش پایین آن ها استفاده می شود. استون به عنوان تنها عامل فوم زا استفاده نمی شود زیرا پس از مدتی باعث جمع شدن فوم می گردد. با این حال، استون دانسیته فوم را افزایش داده و همچنین به عنوان خنک کننده عمل می کند. گلیسیرین یا پلی ال های مبتنی بر گلیسیرین در درجه اول برای جلوگیری از انقباض استفاده می شود. گلیسیرین اغلب به عنوان یک شتاب دهنده عمل کرده، اما افزودن آن معمولاً استحکام فوم را کاهش داده و در نتیجه به نرم شدن و انعطاف پذیری کمک می کند.
Zieleniewska و همکارانش فوم PU ریجید مبتنی بر پلی‌ال روغن کلزا را با جایگزینی پلی‌ال‌های پایه نفتی با افزایش ۲۵، ۵۰، ۷۵ و ۱۰۰ درصد مورد مطالعه قرار دادند. پلی ال با اپوکسید کردن روغن و سپس باز کردن حلقه اپوکسی با دی اتیلن گلیکول تهیه شد. برای بدست آوردن فوم PU، پلی ال توسعه یافته با MDI واکنش داده شد. برای اندازه گیری شاخص پیوند هیدروژنی (R ) از طیف سنجی FTIR استفاده شده است. مقادیر پلی‌ال نفتی برای افزایش ایجاد پیوندهای هیدروژنی که بخش‌های سخت ماده را به هم پیوند می‌دهند، استفاده شد. پایداری حرارتی چنین محصولاتی نیز مهم است که با داده های ترموگراویمتری نشان داده شد. T2%و T5% دماهای مربوط به کاهش جرم ۲ و ۵% هستند که مشاهده شده است که با افزایش محتوای پلی ال روغن کلزا افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد که محتوای پلی‌ال بالاتر به نفع کاهش محتوای فرار می‌باشد. (جدول ۱)
در مورد فوم ایجاد شده با استفاده از پلی ال روغن سویا (SBOP ) با مقدارOH، ۲۳۵ mg KOH/g، دانسیته تنها در ۱۰۰٪ جایگزینی افزایش یافته و میانگین اندازه سلولی با افزایش محتوای SBOP نیز کمتر شد. اندازه کوچکتر سلول ها در درجه اول به ویسکوزیته SBOP مرتبط است. نوع سورفکتانت همچنین بر راندمان پیری فوم ها (آب دوست یا آبگریز)، یعنی تغییر رسانایی حرارتی (مقدار k ) نسبت به زمان تأثیر می گذارد، که همچنین یک پارامتر مهم برای دستگاه های عایق است. پس از ۱۵۰ روز، فوم های ۵۰% و ۰% از SBOP افزایش ثابتی را از ۲۳ – ۲۴ mW/(m.K) به حدود ۲۶.۵-۲۷ mW/ (m.K) گزارش کردند. با این حال، فوم ها در مورد ۱۰۰% SBOP و سورفکتانت آبگریز بسیار سریعتر پیر می شوند. مقدار k از حدود ۲۴ mW/(m.K) به ۳۰.۵ mW/(m.K) افزایش یافت. این تغییر در مقدار k نیز به دلیل تغییر در ترکیب گاز در طول زمان است. به دلیل اختلاف فشار جزئی بین سلول های فوم و محیط اطراف آن، هوای محیط به طور معمول در سلول های فوم پخش می شود. مقدار k برای N2 و O2 بیشتر از CO2 و سایر عوامل فوم زای فیزیکی مانند n-pentane بود. تا زمانی که مطالعه‌ای توسط Hsieh و همکارانش انجام نشده بود، تأثیر ویسکوزیته پلی‌ال SBOP روی فوم ریجید PU چندان درک نشده بود. ویسکوزیته پلی ال سویا در دمای ۲۲ درجه سانتیگراد حدود ۱.۴ تا ۳.۵ برابر بیشتر از پلی ال مبتنی بر نفت است. عدد پلی ال OH مبتنی بر نفت ۱.۸۵ برابر بیشتر از پلی ال سویا بود. با افزایش درصد پلی ال سویا، چگالی اتصال متقابل و دانستیه فوم کاهش یافت. برای خواص مکانیکی، مانند مقاومت فشاری، رابطه ویسکوزیته کاملاً متفاوت بود. استحکام فشاری فوم های SBO PU ساخته شده از پلی ال با ویسکوزیته کم تا ۳۰ درصد جایگزینی پلی ال کاهش یافت اما پس از آن مقاومت فشاری با افزایش درصد جایگزینی افزایش یافت. استحکام فشاری فوم‌های ساخته شده از پلی‌ال با ویسکوزیته بالا تقریباً تا ۳۰٪ جایگزینی در همان سطح باقی ماند و سپس به تدریج تا ۵۰٪ افزایش یافت. SBO نیز برای ساخت فوم های PU ریجید استفاده شده است. خواص مکانیکی یافت شده کمتر از PU مبتنی بر نفت بود. همانطور که در شکل ۳ نشان داده شده است، یک پلی ال با ویسکوزیته کم از روغن کانولا با اپوکسیداسیون و سپس باز کردن حلقه و ترانس استریفیکاسیون با ۱،۲-پروپان دی ال و ۱،۳-پروپان دی ال، تهیه شد.
پلی ال بدست آمده دارای وزن مولکولی کم با ویسکوزیته تقریباً Pas3بود. پلی ال تولید شده با استفاده از ۱،۲-پروپان دی ال فقط دارای گروه های هیدروکسیل ثانویه بود، اما پلی ال تولید شده با استفاده از ۱،۳-پروپان دی ال دارای هر دو گروه هیدروکسیل اولیه و ثانویه بود، به طوری که زمان ژل شدن برای این فوم های PU بین ۱۰۰ تا ۲۰ دقیقه بود. موقعیت گروه OH بر روی زنجیره پلی ال نیز بر ساختار سلولی تأثیر می گذارد، همانطور که با مقایسه فوم های تولید شده توسط پلی ال های مبتنی بر روغن کرچک و روغن سویا مشاهده می شود. موقعیت OH در پلی ال مبتنی بر روغن کرچک ثابت بوده زیرا حدود ۹۰٪ اسید ریسینولئیک داشته و بنابراین ساختار یکنواخت تری را نشان می دهد، اما ساختار فوم، یکنواختی کمتری داشته و از منافذ نواری درازتر در مورد پلی ال های مبتنی بر سویا تشکیل شده است. تفاوت در خواص مکانیکی به دلیل ناهمسانگردی در ساختار سلولی داخلی است. مدول یانگ و تنش تسلیم پلی‌ال نفتی بالاتر از پلی‌ال‌های مبتنی بر سویا و روغن کرچک در هر دو جهت بود، حتی اگر مقادیر OH به ترتیبmg KOH/g 330، ۴۴۷، ۳۹۳-۴۴۱ باشد. ساختار کلی پلی ال و ایزوسیانات به ارزیابی خواص مکانیکی کمک می کند. خواص مکانیکی پایین‌تر به دلیل زنجیره‌های پلی ال سویا آویزان بود که گروه‌های OH در موقعیت‌های مختلف داشتند. نوع پیوند نیز بر خواص حرارتی تأثیر می گذارد، پلی ال مبتنی بر نفت و روغن نباتی به ترتیب دارای پیوندهای پلی اتر و پلی استر هستند.
بدون دیدگاه