چرم ماده ای محکم، انعطاف پذیر و بادوام بوده که از دباغی یا عملیات شیمیایی روی پوست حیوانات به دست می آید. رایج ترین چرم ها از گاو، گوسفند، بز، اسب، گاومیش، خوک و گراز تهیه شده و چرم اساساً محصول جانبی کشتار صنعت گوشت است. چرم را می توان در بخش های مختلفی از مبلمان تا لباس، اتومبیل و بسیاری از مصارف دیگر استفاده کرد. تخمین زده شده است که تولید جهانی چرم تقریباً ۵۳.۳ میلیارد متر مربع بوده و متعاقباً، ۳.۵ میلیون تن مواد شیمیایی مختلف در فرآوری چرم استفاده شده که مقدار زیادی ضایعات جامد یا پساب‌های مایع را تولید می‌کند. بنابراین، محققان به طور گسترده توجه خود را در یافتن استراتژی های جدید برای تولید ایمن تر این مواد معطوف کرده اند. از این نظر، تقاضا برای چرم مصنوعی با کیفیت بالا (همچنین به عنوان چرم وگان یا “پلیتر”، چرم ساخته شده از پلاستیک شناخته می شود) به شدت افزایش یافته است.
پلی یورتان (PUs ) معمولاً پلاستیک هایی هستند که در ساخت چرم هم به عنوان عامل اتصال در فرآیند دباغی و تکمیل و هم برای تشکیل لایه پوشش استفاده می شوند. به دلیل شباهت بین گروه مشخصه PU و زنجیره پپتیدی در کلاژن، چرم های حاصل که توسط PU ها دباغی می شوند می توانند احساس چرم طبیعی را حفظ کنند. PUها همچنین مواد پوشش دهی مطلوبی در تکمیل فرایند بوده که خواص برجسته بسیاری از جمله: انعطاف پذیری عالی و استحکام چسب را نشان می دهند. مشخص شده است که می تواند عیوب پوسته یا ظاهر نامنظم را پنهان کرده و مقاومت در برابر مواد شیمیایی و آب را ارائه دهد.
به طور کلی، PU ها با واکنش چند افزودنی، که بین گروه های عاملی OH اجزای پلی ال و گروه های عاملی NCO منبع ایزوسیانات رخ می دهد، با تشکیل یک واحد تکرار شونده اصلی به دست می آیند: گروه یورتان (–NHCOO–). افزودنی‌های مناسب (مانند کاتالیزورها، بازدارنده‌ها، پرکننده‌ها) باید در فرمول PU گنجانده شوند تا واکنش پلیمریزاسیون را تنظیم کرده و یا خواص عملکردی خاصی را به ماده تولید شده بدهند.
در کاربرد چرم، PU ها عمدتاً بر پایه پلی یورتان های ترموپلاستیک (TPUs ) بوده که از واکنش بین پلی ال های مناسب، ایزوسیانات های آروماتیک و یا بر پایه آلیفاتیک و اجزای گسترش دهنده زنجیره سنتز می شوند. آن ها به دلیل وجود هر دو واحد مولکولی ریجید (سخت) و فلکسیبل (نرم) به طور متناوب به عنوان کوپلیمرهای بلوکی در نظر گرفته می شوند. واحدهایی که در سگمنت های سخت قرار می‌گیرند، مسئول بهبود خواص ترمومکانیکی بوده، در حالی که سگمنت‌های نرم عمدتاً خواص انعطاف‌پذیری در دماهای پایین و همچنین مقاومت شیمیایی در برابر حلال‌ها و آب را کنترل می‌کنند. فعل و انفعالات شیمیایی و مورفولوژی این بخش ها منجر به خواص شیمیایی، مکانیکی و حرارتی متفاوتی می شود. با این حال، این دسته از پلیمرها به طور معمول با انتخاب پیش سازهای مبتنی بر مواد نفتی به دست می آیند. از سوی دیگر، پلیمرهای پایدار از منابع تجدیدپذیر مشتق شده که می‌توانند در نهایت پس از استفاده، بازیافت شوند و اثرات زیست‌محیطی را کاهش دهند. با این حساب، پلی یورتان های پایه زیستی و به طور کلی پلیمرهای زیستی را می توان بر اساس IUPAC به عنوان «مواد تشکیل شده یا مشتق شده به طور کامل یا بخشی از محصولات بیولوژیکی تولید شده از زیست توده (شامل گیاهان، جانوران، و مواد دریایی یا جنگلی) تعریف کرد. در نتیجه، از نظر تئوری، هیچ محدودیتی در مورد نوع و مقدار اجزای پایدار در فرمول‌های PU وجود ندارد.
با توجه به اینکه نفت خام یک منبع محدود است، محققان مسیرهای جایگزینی را برای تولید مواد شیمیایی از منابع سازگار با محیط زیست و پایدار ایجاد کرده اند. محققان به محصولات مشتق شده از زیست توده و همچنین ضایعات کشاورزی و محصولات جانبی بخش‌های صنعتی، به عنوان منابع پایدار برای به دست آوردن مواد شیمیایی که می‌توانند به‌طور بالقوه به‌عنوان مواد خام برای تولید مواد نسل جدید انتخاب شوند، علاقه‌مند هستند. با این وجود، از آنجایی که اجزای ایزوسیانات به دلیل خطرناک بودن و سمی بودن آن ها تحت بررسی های فزاینده ای قرار گرفته اند، نیاز به یافتن جایگزین هایی برای اجزای ایزوسیانات در سنتز پلی یورتان، امروزه به طور فزاینده ای حیاتی شده است. از این رو، علاوه بر PUهای مبتنی بر مواد زیستی، دسته دیگری از PUهای پایدار، پلی یورتان های غیر ایزوسیاناتی (NIPUs ) بوده که به طور معمول از طریق واکنش بین کربنات های حلقه ای و آمین های چند عاملی با گروه های آمین اولیه به دست می آیند.
با این حال، قابل ذکر است که در حال حاضر تحقیقات در این زمینه هنوز در مرحله ابتدایی است. در واقع، اگرچه NIPU ها را می توان تا ۱۰۰ درصد از مواد خام تجدید پذیر تولید کرد، اما سنتز آن ها با سرعت واکنش پایین و چندین محصول جانبی مشخص می شود که به شدت بر خواص نهایی NPIU ها تأثیر گذاشته که هنوز با خواص پلی یورتان های معمولی قابل مقایسه نیستند. بنابراین، در حال حاضر، دستیابی به ۱۰۰٪ مواد پایدار در فرمولاسیون PU دشوار است. در واقع، تولید NPIU هنوز یک چالش بوده و تنها چند مقاله، سنتز NIPU را برای کاربرد چرم (عمدتا بر اساس کاربرد پوششی) گزارش می‌کنند.
جامعه تحقیقاتی نشان داده است که برای پایدارتر کردن فرآیند PUs، دو جهت اصلی را می توان انجام داد:
- سنتز پلی یورتان های مشتق شده از “پلی ال های زیستی”
- سنتز پلی‌یورتان‌های غیر ایزوسیاناتی.
در هر دو مورد، استفاده از مواد زیستی در کامپوزیت‌های PU، به دلیل محدودیت‌های مواد اولیه زیستی مرتبط با دستیابی به عملکرد قابل مقایسه با PUهای معمولی یا سطوح بالای پایداری، به اندازه کافی مود مطالعه قرار نگرفته است. از این نظر، پایداری در صنعت چرم باید به کل زنجیره عرضه مربوط باشد، از جمله انتخاب منابع مواد خام، تولید فرآیند چرم (یعنی کندن پوست از حیوان، تبدیل چرم مبتنی بر پلیمر)، فرآوری چرم (یعنی دباغی، پوشش و غیره) تا تحویل چرم تمام شده.
پیشرفت‌های اخیر در صنعت چرم مبتنی بر پلی یورتان
چرم مصنوعی مبتنی بر PU از روغن و منابع پایدار: سنتز و خواص
توسعه مواد و فناوری های سبز و پایدار به یکی از مهم ترین روند در صنعت چرم در سراسر جهان تبدیل شده است. چرم مصنوعی به دلیل هزینه نسبتا پایین و در پاسخ به آگاهی در مورد حمایت از حیوانات به عنوان جایگزین چرم معمولی توجه زیادی را به خود جلب کرده است. مسئله مهم اسن است که چگونه می توان ویژگی آن ها مانند انعطاف پذیری، استحکام کششی، مقاومت در برابر سایش، نفوذپذیری در برابر آب و هوا، پایداری حرارتی، مقاومت شیمیایی، آب گریزی و پایداری شکلی را نسبت به مواد چرم اصل، به ویژه بر اساس مواد اولیه پایدار، برتر ساخت. با توسعه مواد سبز و فن‌آوری‌های پردازش پیشرفته، این مواد کاندیدای مناسبی در چندین کاربرد از جمله تولید کفش، پوشاک، کیف و همچنین بخش‌های خودرو، مبلمان و هواپیما می شوند.
ساخت چرم‌های مصنوعی مبتنی بر PU:
به طور معمول، چرم های مصنوعی بر پایه PU ها، متشکل از فیبرهای مصنوعی ساخته شده اند، که اخیراً به دلیل خواص مکانیکی بالای آن ها نسبت به نوع بکر، توسط مقالات علمی شناخته شده است. آن ها اساساً شامل یک شبکه سه بعدی (۳ بعدی) مشبک از الیاف پلی آمید در یک ماتریس پلی یورتانی بوده که به طور مناسب برای شبیه سازی دسته های کلاژ چرم های طبیعی طراحی شده اند. به عبارت دیگر، چرم مصنوعی مبتنی بر PU نشان دهنده رزین PU بوده که در ارتباط با ۴شبکه ای از الیاف مصنوعی قرار می گیرد.
Gurera و Brushan مراحل اصلی فرآیند برای تولید چرم مصنوعی بر پایه پلی یورتان را کامل گزارش کردند (تصویر در شکل ۱ گزارش شده است).
ابتدا، یک محلول پلی یورتانی (۵۵ درصد وزنی کل جرم) به طور مناسب با نرم کننده ها (۴۰ درصد وزنی)، تثبیت کننده (۱ درصد وزنی) و مواد جامد مناسب (۵ درصد وزنی)، مانند CaCO3، لیگنین و نانورس ها) اضافه شده و روی یک لایه کاغذ رسوب می کنند و بین غلتک های گرم شده فشرده می شوند تا یک لایه یکنواخت ایجاد شود. سپس، مواد به دست آمده از یک کوره عبور کرده و یک لایه ضخیم و کف آلود دیگر را تشکیل می دهند. مرحله سوم شامل افزودن همزمان یک لایه پلی استر و کندن لایه است، در حالی که ساختار در یک کوره پخت می شود. مرحله چهارم، گذاشتن یک لایه رزین بوده که از طریق غلتک های بافت دار عبور داده می شود. چندین افزودنی را می توان در این فرآیند مورد استفاده قرار داد مانند: سورفکتانت های غیر یونی، بوتیل بنزیل فتالات (BBP) و تری اتیل فسفات (TEP ) و همچنین پرکننده های مناسب با عملکردهای مختلف مانند اصلاح کننده های سطح، رنگ و همچنین عوامل رها کننده.
معمولاً لایه مصنوعی مانند سطح شیاردار به نظر می رسد که می تواند بافت چرم را شبیه سازی کرده و برخی از خواص مانند خاصیت ارتجاعی، نرمی و نفوذپذیری رطوبت را به ارمغان می آورد. معمولاً چرم مصنوعی ویژگی های ضعیفی از خود نشان داده و در واقع کاربرد آن ها را در زمینه چرم محدود می کند. بنابراین، پرکننده‌ها با ماهیت و اندازه‌های شیمیایی مختلف (به عنوان مثال در مقیاس نانو یا میکرو) می‌توانند در ماتریس پلی‌یورتان پراکنده شوند، که امکان دستیابی به عملکرد قابل توجهی را برای چرم‌های PU بدست‌آمده فراهم می‌کند. با این حساب، نشان داده شده است که گرافن یک پرکننده عملکردی بوده که می تواند به طور موثر خواص کلی کامپوزیت های مبتنی بر PUs را بهبود بخشد، مانند هدایت الکتریکی، تاخیر در شعله، محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش و خواص مکانیکی و حرارتی. درهم آمیختگی و پراکندگی گرافن در PU ها امکان دستیابی به عملکرد حرارتی و مکانیکی بالاتری را فراهم می کند، بنابراین، مواد چرمی نهایی مقاومت به پارگی، چسبندگی سطحی و مقاومت به سایش بالاتری دارند. جدا از گرافن و ترکیبات اصلاح‌شده آن، چرم‌های کامپوزیت PU معمولاً با افزودن CaCO3 یا لیگنین در ماتریس‌های پلیمری به دست می‌آیند، اما در اینجا می‌توان به برخی از مشکلات آن اشاره کرد. در حالت اول، CaCO3 (پرکننده معدنی) سازگاری ضعیفی با PU داشته و ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی مانند تجمع ذرات گردد. از طرف دیگر، لیگنین جذب رطوبت و همچنین خاصیت ارتجاعی چرم های مصنوعی را بهبود می بخشد. با این حال، ممانعت فضایی آن دسترسی گروه های هیدروکسیل آن را به شدت محدود کرده که منجر به تجمع ذرات و عملکرد پایین تر PU های به دست آمده می شود. علاوه بر این، استفاده از لیگنین ممکن است با مشکلات بو به دلیل محتوای گوگرد مرتبط باشد. با این حال، مسیرهای گوگرد زدایی از نقطه نظر اقتصادی همیشه راه حل های عملی نیستند. جالب توجه است که پودرهای بازیافتی موی گاو (الیاف طبیعی حاوی کراتین) برای تقویت چرم های PU انتخاب شده اند. با این حال، برخی از فرآیندهای اولیه سولفید قلیایی اغلب برای جلوگیری از بوی نامطبوع در محصولات نهایی مورد نیاز است.
بدون دیدگاه