پلی‌یورتان‌ها اغلب زمانی «سبز» نامیده می‌شوند که حاوی مواد افزودنی طبیعی و تجدیدپذیر در شبکه یا ساختار شیمیایی خود باشند، مانند مونو و پلی‌ساکاریدها، روغن‌ها (عمدتاً روغن‌های گیاهی)، پلی‌فنول‌ها (مانند لیگنین‌ها، تانن‌ها) یا ترکیبات مختلف مشتق شده از بایوتکنولوژی سفید زباله کشاورزی. این معمولا منجر می شود که پلی یورتان ها از بسترهای کم خطر به دست آیند. اصلاح مناسب پلی یورتان ها، آن ها را مستعد تخریب کرده و استفاده از فرآیندهای مناسب امکان بازیافت آن ها را فراهم می سازد. همانند تولید سایر مواد پلیمری، سنتز پلی یورتان ها با استفاده از کاتالیزورها (مانند بیوکاتالیست ها) با کنترل کامل روند واکنش انجام می گردد. علاوه بر این، بسترهای سنتی در سنتز پلی یورتان ها را می توان با موادی که سمیت کمتری دارند، جایگزین کرد. به طور کلی برای تهیه مواد واسطه در سنتز پلی یورتان ها نیازی به ترکیبات مسدود کننده نیست. ذخیره سازی معقول بسترها، حمل و نقل آن ها و سنتز پلی یورتان ها، ایمنی و جلوگیری از واکنش های کنترل نشده را تضمین می کند.
سابقه استفاده از پلی یورتان ها به طور کلی تقریباً به اندازه پلیمرهای مصنوعی طولانی است. فناوری پلی یورتان در سال ۱۹۳۷ آغاز شد اما در طول جنگ جهانی دوم به سرعت توسعه یافت، زمانی که از پوشش های پلی یورتان برای آغشته کردن کاغذ و ساخت لباس های مقاوم در برابر گاز خردل استفاده می شد. آن ها همچنین در پوشش های براق هواپیما و پوشش های شیمیایی و مقاوم در برابر خوردگی برای محافظت از فلز، چوب و سنگ تراشی استفاده شده اند. از آنجایی که نام “پلی یورتان ها” مخفف گروه عظیمی از پلیمرهای مختلف بوده، شکل، ساختار و مهم تر از همه خواص پلی یورتان ها متنوع است. پلی یورتان ها گروه وسیعی از پلیمرها را پوشش می دهند که از نظر ساختار شیمیایی، مورفولوژی و حتی حالت فیزیکی با هم تفاوت داشته و روش به دست آوردن آن ها نیز کاملاً متفاوت است. واکنش افزودن گروه های ایزوسیانات و هیدروکسیل باعث تولید گروه یورتانی شده (شکل ۱) که طی آن هیچ محصول جانبی تشکیل نمی گردد. از سوی دیگر، فوم های پلی یورتان در یک واکنش، جایی که عامل فوم زا اغلب آب (یا مقداری حلال کم جوش و بی اثر) است که با گروه های ایزوسیانات واکنش داده و CO2 را تشکیل می دهد (شکل ۲)، تولید می گردد.
مستطیل ها، فنر و R در شکل های ۱ و ۲ به ترتیب قطعاتی از ترکیبات شیمیایی وارد شده به ساختار پلی یورتان، دی ایزوسیانات، پلی ال و گسترش دهنده زنجیره با وزن مولکولی کم را نشان می دهند. از آنجایی که شکل پلی یورتان ها و خواص آن ها بسیار متنوع بوده، حوزه کاربرد آن بسیار زیاد است.خواص عایق فوم های پلی یورتان تقریباً از همان ابتدای استفاده شناخته شده و مورد استفاده قرار می گیرد. این فوم ها ساختمان ها را از نظر حرارتی و صوتی عایق می کنند. مدتی است که از فوم پلی یورتان در لاستیک خودروها نیز استفاده می شود که صدای جاده را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. امروزه صنایع ساخت و ساز و مبلمان بدون فوم های پلی یورتان ریجید و فلکسیبل و پوشش های پلی یورتان، چسب ها، درزگیرها و الاستومرها به درستی کار نمی کنند. خواص عالی پلی یورتان ها نیز مورد توجه دنیای ورزش قرار گرفته است. از آن ها در ساخت تشک برای ورزشکاران در ورزش های رزمی و همچنین برای ساخت کشتی ها و محافظت از آن ها در برابر آب و ترکیبات پتروشیمی استفاده می گردد. با این حال، شاید مهم ترین و مطمئناً بارزترین آن در استفاده روزمره، لباس های ورزشی باشد. تصمیم برای انتخاب لباس های پلی یورتان برای شناگران از بازی های المپیک ثابت کرده است که این لباس ها چقدر راحت بوده و چگونه می توانند نتایج به دست آمده توسط ورزشکاران را بهبود بخشند. لباس های ساخته شده از الیاف پلی یورتان و کفش های ساخته شده از چرم مصنوعی پلی یورتان بخشی جدایی ناپذیر از زندگی هر فرد است. البته نمی توان از استفاده از پلی یورتان ها در پزشکی به عنوان داربست رشد بافت، عناصر تجهیزات پزشکی و ایمپلنت های موقت و دائمی صرفه نظر کرد. تولید پلی یورتان ها مطابق با اصول شیمی سبز، بدون شک برای محیط زیست مفید بوده با این حال، رعایت بیشتر این قوانین تضمینی برای به دست آوردن محصولی با بالاترین کیفیت است. کنترل سیستماتیک جریان واکنش در هر مرحله از تولید یا استفاده از کاتالیزورهای خاص، امکان به دست آوردن محصولی با بهترین خواص ممکن را می دهد. همچنین استفاده از بسترها و حلال های غیر سمی این محصول را برای محیط زیست و استفاده انسان ایمن می سازد.
اصول در شیمی سبز پلی یورتان ها:
در دهه ۱۹۹۰ سرانجام مشخص شد که جلوگیری از تولید زباله برای محیط زیست، بهتر از دفع آن است. این امر طرز تفکر تصمیم گیرندگان را تغییر داد و منجر به ایجاد اصطلاح “شیمی سبز” شد که با تدوین ۱۲ اصل شیمی سبز در سال ۱۹۹۸ به وجود آمد.
این اصول عبارتند از: ۱. جلوگیری از اتلاف ۲. به حداکثر رساندن اقتصاد اتمی (بازده سنتز) ۳. طراحی سنتزهای شیمیایی کم خطر ۴. طراحی مواد شیمیایی و محصولات ایمن تر ۵. استفاده از حلال ها و شرایط واکنش ایمن تر (پرهیز از مواد کمکی) ۶. افزایش بهره وری انرژی (بازده انرژی) ۷. استفاده از مواد اولیه تجدیدپذیر ۸. اجتناب از مشتقات شیمیایی ۹. استفاده از کاتالیزورها ۱۰. طراحی مواد شیمیایی و محصولات برای تخریب پس از استفاده (تخریب یا بازیابی) ۱۱. تجزیه و تحلیل در زمان واقعی برای جلوگیری از آلودگی و ۱۲. به حداقل رساندن احتمال وقوع حوادث (جلوگیری از حوادث)
۱۲ اصل شیمی سبز بخشی از اقتصاد پایدار است. این ابزار قدرتمندی است که می تواند به طور قابل توجهی وضعیت محیط زیست را بهبود بخشد. اکنون می دانیم که یکی از عناصر مدیریت زیست محیطی، تلاش برای کاهش میزان ضایعات تولید شده توسط صنعت پلیمر است. از آنجایی که حجم ضایعات پلی یورتان بسیار زیاد بوده که عمدتاً به تعداد فوم های مورد استفاده مربوط می شود، تولید پلی یورتان ها مطابق با اصول شیمی سبز این فرصت را به ما می دهد تا ضایعات را به میزان قابل توجهی در محیط کاهش دهیم. تحقیقات زیادی قبلاً برای ایمن‌تر کردن و تجزیه پلی‌یورتان‌ها در پایان عمر مفیدشان انجام شده است. اصول دیگری از ۱۲ مورد ذکر شده نیز در تولید پلی یورتان ها معرفی شده است که این امید را ایجاد می کند که همچنان بتوانیم از این مواد منحصر به فرد بدون آسیب رساندن به محیط زیست و خودمان لذت ببریم.
پیشگیری از زباله، اصلی است که تقریباً تمام ۱۲ اصل را پوشش می دهد. مصرف ۱۰۰% مواد اولیه از تشکیل ضایعات و بقایای غیرقابل استفاده این ترکیبات جلوگیری می کند. ضایعات نیز یک حلال بوده که باید پس از واکنش سنتز از محلول پلیمری حذف شود، بنابراین ترجیحاً از روش بدون حلال استفاده می گردد. به طور غیرمستقیم، فرآیندهای انرژی بر نیز منبع ضایعات تولید انرژی هستند. بنابراین، فرآیندهایی برای تهیه محصولات پلی یورتان در دمای اتاق، که نیازی به مصرف انرژی ندارند، سودمندتر هستند. ورود مواد طبیعی به ساختار یا شبکه پلی یورتانی اغلب علت افزایش حساسیت این پلی یورتان ها به تخریب محیطی است. این دلیل مستقیم کاهش میزان ضایعات پلیمری در محیط طبیعی است. در بسیاری از موارد، زمانی که گروه‌های عملکردی زیرلایه‌ها تا حدی مسدود شده باشند، کاربرد محصول بسیار افزایش می‌یابد. استفاده از واکنش های کاتالیزوری در فرآیندهای تولید پلی یورتان یک روش بسیار قدیمی است. مدتهاست که تشخیص داده شده است که نیاز به تسریع واکنش بین گروه های ایزوسیانات و گروه های هیدروکسیل، آمینو یا کربوکسیل وجود دارد. علاوه بر این، واکنش های خاص از طریق گزینش پذیری کاتالیزورها هدایت می شوند. بنابراین، به طور کلی، واکنش برای به دست آوردن پلی یورتان ها به جای استوکیومتری به صورت کاتالیزوری انجام می شود، بنابراین از استفاده از واکنش دهنده های اضافی که می توانند زباله های پس از واکنش را ایجاد کنند، اجتناب می گردد. علاوه بر افزودنی‌ها/ بسترهای طبیعی که قبلاً ذکر شد، حساسیت به تجزیه پلی‌یورتان‌ها را نیز می‌توان با وارد کردن زیرلایه‌های مصنوعی تجزیه‌پذیر با گروه‌های تجزیه‌پذیر در ساختار آن ها مدل‌سازی کرد. کنترل دقیق خلوص معرف ها، درجه تبدیل گروه های عاملی آن ها و همچنین پارامترهای فرآیند، برای به دست آوردن یک محصول با کیفیت خوب ضروری است. هرگونه سهل انگاری در این زمینه منجر به تشکیل ضایعات می گردد.
موضوع مهم در طراحی فرآیند سنتز هر پلیمر، ایجاد شرایط بهینه واکنش و همچنین انتخاب واکنش دهنده های مناسب و ارتباط متقابل آن ها است. این برای به دست آوردن محصول مورد نظر با عملکرد مطلوب اهمیت دارد. مطلوب ترین وضعیت زمانی است که تمام اتم های بستر در ساخت محصول نهایی مصرف می شود. همانطور که در بالا ذکر شد، راندمان پلیمریزاسیون ممکن است ناشی از عوامل زیادی باشد. پالمبو و همکارانش راندمان کوپلینگ (R ) را نشان می دهند، یعنی نسبت مقدار Mw پلی یورتان به دست آمده به مقدار Mw پیش پلیمر مربوطه.
در اوایل سال ۱۹۵۱، داده هایی در مورد اثرات مضر ایزوسیانات ها بر کارگران کارخانه های صنعتی تولید کننده پلی یورتان گزارش شد. کارگرانی که در معرض تولوئن دی ایزوسیانات (TDI)، دی ایزوسیانات مورد استفاده در آن زمان، قرار داشتند، اغلب دچار سوزش چشم، سوزش یا خشکی گلو و یا گرفتگی قفسه سینه شدند. سرفه‌های آزاردهنده‌ای هم داشتند، مخصوصاً در شب. در آن زمان اعتقاد بر این بود که همه ایزوسیانات ها بسیار سمی هستند. مطالعات بعدی در بین کارکنان کارخانه های پلی یورتان نشان داد که متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI ) به دلیل ظرفیت تبخیر کم آن سمیت کمتری دارد. با این حال، ۴ نفر از ۵۷ کارگر در کارخانه فوم پلی یورتان ریجید MDI به آسم ایزوسیانات مبتلا شدند. همانطور که قبلا ذکر شد، بنابراین، اساساً مشکل TDI از استنشاق دود ناشی می شود. MDI با فراریت کم مشخص شده، به طوری که در دمای معمولی غلظت خطرناکی از بخار سمی وجود ندارد. درست است که خطر بخار کم است، اما بسیاری از کاربردهای MDI شامل اسپری کردن یا توزیع مخلوط‌های رزین MDI در حال واکنش بوده و یک آئروسل خطرناک تولید می‌شود. این می تواند منجر به استنشاق قطرات ریز حاوی MDI واکنش نداده شود که منجر به درجات مختلفی از تحریک تنفسی، گاهی اوقات آسم می گردد. قبلاً در دهه ۱۹۶۰ تصور می شد که دی ایزوسیانات های آلیفاتیک مانند هگزامتیلن دی ایزوسیانات (HDI ) عمدتاً مستقیماً تحریک کننده پوست و چشم هستند، در حالی که دی ایزوسیانات های آروماتیک، بیشتر مستعد ایجاد آلرژی هستند. به طور کلی، ایزوسیانات ها به عنوان یک آلرژن قوی تنفسی در نظر گرفته می شوند. علاوه بر این، آن ها همچنین می توانند باعث ذات الریه حساسیتی و درماتیت تماسی شوند. با این حال، در اوایل سال ۱۹۶۳، گزارش شد که سیستم های موجود برای تولید پوشش های پلی یورتان حاوی مقدار بسیار کم (تقریباً ۰.۵٪) ایزوسیانات آزاد است که عملاً اثر سمی را از بین می برد. البته این مطالعات شرایط خطرناک کارگران کارخانه ایزوسیانات را نشان ندادند. سال‌های بعد نشان داده‌اند که رویدادهایی هر از گاهی رخ می‌دهند که نشان‌دهنده اثرات سمی ایزوسیانات‌ها است.
بدون دیدگاه