استفاده از پلی‌ال‌های تجدیدپذیر در چسبهای پلی‌یورتان

تقریبا تمامی مواد شیمیایی مورد استفاده در صنعت چسب تا کمی بیش از یک دهه قبل، برپایه نفت خام بوده است. استفاده از مواد اولیه با منابع تجدیدپذیر بعنوان چایگزین مواد با پایه نفتی می‌تواند در رفع نگرانی‌های زیست‌ محیطی و نیز ایجاد پایداری در عرضه مواد کمک شایانی داشته باشد. بدین منظور در صنعت چسب های پلی‌یورتان، تولید پلی‌ال‌ها از مونومرهایی که دارای منشأ گیاهی باشند بطور گسترده مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است. امروزه چنین مونومرهایی بصورت تجاری در دسترس هستند؛ تفاوت این مونومرها با گونه‌های متداول در طراحی فرمولاسیون باید مورد توجه قرار گیرد.

روغن های گیاهی، استرهای تری گلیسیرید اسیدهای اشباع و غیراشباع، رایج ترین و ارزان ترین منابع پلی ال های تجدید پذیر هستند.
شکل ۱: روغن های گیاهی، استرهای تری گلیسیرید اسیدهای اشباع و غیراشباع، رایج ترین و ارزان ترین منابع پلی ال های تجدید پذیر هستند.

۱. روش های تولید پلی ال

رایج‌ ترین و ارزان‌ ترین منبع برای پلی‌ال‌های تجدیدپذیر، روغنهای گیاهی بصورت استرهای تری‌ گلیسیرید اسیدهای چرب اشباع و غیراشباع هستند. روغن کرچک۱ یک تری‌ گلیسیرید حاصل از اسید ریسینولئیک -که یک اسید چرب دارای گروه های هیدروکسیل نوع دوم است- بوده و می‌تواند برای تولید پلی‌ال مورد استفاده قرار گیرد. سایر روغن های طبیعی مانند روغن سویا، برای تهیه پلی‌ال ابتدا اپوکسیده شده و سپس گروه اپوکسی برای تشکیل الکل‌های نوع دوم باز می‌شود. تولید کنندگان پلی‌ال برای تولید الکل‌های نوع اول از هیدروفورمیلاسیون۲ کاتالیسیتی روغنهای گیاهی و سپس هیدروژنه کردن گروههای آلدهید حاصل استفاده می‌کنند. برخی فرایندهای صنعتی از واکنش ترانس استریفیکاسیون۳ روغن گیاهی همچون روغن سویا با متانول برای تولید متیل‌استرهای اسیدچرب و واکنش با ترکیبی مانند گلیسیرین یا یک پلی‌آمین برای تولید پلی‌ال استفاده می‌کنند.
واکنشهای مورد استفاده برای تبدیل روغنهای طبیعی به پلی ال
شکل ۲: واکنشهای مورد استفاده برای تبدیل روغنهای طبیعی به پلی ال
پلی‌ال‌های متداول از واکنش یک ترکیب آغازکننده۴ با آلکیلن اکساید۵ برای تولید پلی‌اترها و با دی‌کربوکسیلیک اسیدها یا انیدریدها برای تولید پلی‌استر سنتز می‌شوند. پلی‌ال‌های برپایه روغنهای طبیعی از جایگزینی ترکیب آغازکننده متداول برپایه مواد پتروشیمی با یک ترکیب با منبع زیستی همچون ساکاریدها (مانند سوربیتول و ساکاروز)، گلیسیرین و دی‌ال‌های برپایه آن حاصل می‌گردند. امکان تولید با اسیدآدیپیک یا اسید ساکسینیک۶ برپایه مواد تجدیدپذیر نیز وجود دارد.

۲. استفاده از پلی ال های گیاهی در چسب ها

ساده‌ ترین راه برای فرمول کردن پلی‌ال‌های تجدیدپذیر، جایگزینی مستقیم معادلهای پتروشیمی است. در واقع محققان پلی‌ال‌های جدید را به گونه‌ای توسعه داده‌اند که در فرمولاسیون چسبهای پلی‌یورتان دوجزئی مستقیما استفاده گردند. در این نوع پلی‌یورتان‌ها، ترکیب پلی‌الی با یک ایزوسیانات مانند تولوئن دی‌ایزوسیانات توسط کاربر مخلوط می‌گردد. چسبهای گرماذوب واکنشی پلی‌یورتان۷ با توانایی پخت رطوبتی، تقریبا باارزش‌ترین فرمولاسیونی است که چنین پلی‌استر پلی‌ال‌هایی -البته با گروههای هیدروکسیل مناسب- در آن قابل استفاده هستند. در این نوع محصولات بعنوان مثال روغن کرچک بعنوان جزء تجدیدپذیر به ترکیب پیش‌پلیمر یورتانی حاوی مخلوط پلی‌ال و ‌پلی‌ایزوسیانات افزوده می‌شود. این ماده با قابلیت ایجاد کراسلینک، باعث بهبود خواص شده  چسبندگی بالاتری را حاصل می‌کند. روغن سویای پلی‌هیدروکسیله۸ و روغن کرچک هیدروژنه۹ نیز برای رسیدن به تعادل در خواص مکانیکی نیز قابل استفاده در چنین محصولاتی هستند.

مثالی از فرمولاسیون چسب HMPUR حاوی روغن کرچک

ماده

مقدار (گرم)

کوپلیمر استایرن/ آلیل الکل

۱۳

PPG

۱۳۰

روغن کرچک

۱۹.۵

ایزوسیانات

۱۳۶.۵

پلی‌استر پلی‌ال

۳۵۱

استفاده از پلی‌ال‌های برپایه روغنهای طبیعی به جای پلی‌اتر پلی‌ال‌های متداول در چسبها مزایایی را برای آنها به همراه دارد. این چسبها پیوند و اتصال بهتری نسبت به برخی از مواد از خود نشان داده و با توجه به ماهیت آبدوستی کمتر نسبت به پلی‌ال‌های دیگر، آب و آلودگی کمتری جذب می‌کنند.

ویسکوزیته، نقطه ذوب و دمای انتقال شیشه‌ای، ویژگی‌های یک چسب HMPUR را تعیین می‌کنند. میزان کریستالینیتی پلی‌ال -فارغ از اینکه پلی‌ال مایع، کریستالی و یا آمورف باشد- روی این پارامترها تأثیر مستقیم دارد. اکثر پلی‌ال‌های موجود برپایه روغن، مقدار کریستالینیتی پایینی دارند؛ در نتیجه ناحیه محدودی از خواص با جایگزینی مستقیم مواد پتروشیمی بوسیله آنها حاصل می‌شود. در نقطه مقابل، شباهت فرایند تولید پلی‌ال‌های برپایه آغازکننده‌های سوختهای فسیلی با آغازکننده‌های طبیعی، موجب می‌شود که محدوده وسیعی از کریستالینیتی به کمک آنها قابل دست‌یابی باشد.

۳. جمع‌بندی

پلی‌یورتان‌های تولید شده با روغن کرچک در مقایسه با پلی‌ال‌های پایه نفتی مقاومت هیدرولیتیکی و حرارتی خوبی را از خود نشان می‌دهند؛ با این وجود بدلیل حضور الکل‌های نوع دوم، واکنش‌پذیری آنها نسبت به پلی‌ال‌های حاوی الکل‌های نوع اول کمتر است. نکته دوم اینکه روغن کرچک بدلیل آنکه در مناطق گرمسیری تولید می‌شود معمولا قیمت بالایی دارد.

پلی‌ال‌هایی که از روغنهای طبیعی بدست می‌آیند با توجه به ساختار شیمیایی و خواص مشابه با گونه‌های برپایه سوخت‌های فسیلی براحتی در فرمولاسیون پلی‌یورتان قابل استفاده هستند. در صورتیکه هیچ جزء تجدیدپذیر دیگری در فرمولاسیون استفاده نشده باشد، پلی‌ال ۳۰% جزء کربنی تجدیدپذیر را تأمین کرده و پلی‌یورتان نهایی تقریبا ۸% جزء تجدیدپذیر خواهد داشت.

  1. Castor oil

  2. Hydroformylation

  3. transesterification

  4. Starter

  5. Alkylene oxide

  6. Succinic acid 
  7. Hotmelt Polyurethane (HMPUR)
  8. Polyhydroxylated Soybean Oil
  9. Hydrogenated Castor Oil

۴. مراجع

  1. Spilman, G. E.; Argyropoulos, J. N.; Bhattacharjee, D.; Popa, P. J.; Koonce, W. A. “Low Volatiles Coatings, Sealants and Binders From Renewable Oils “, US Patent Application No. 20100178502, July 15, 2010
  2. Desroches, M.; Escouvois, M.; Auvergne, R.; Caillol, S.; Boutevin, B., Polymer Reviews, 2012, 52, 1 38-79
  3. Roberts, G.; Lok, C. M.; Adams, C. J.; Seddon, K. R.; Earle, M. J.; Hamill, J. T. “Process for the preparation of derivatives of fatty acids”, US Patent No. 6,316,643, November 13, 2001
  4. Extance, A. ; SpecialChem Articles, 2012
  5. Desai, S. D.; Patel, J. V. ; Sinha, V. K. Int J Adhes Adhes, 2003, 23, 5, 393-399
  6. Thüner, S.; Brenner, G. ; Diehl, C. Evonik, The search for bio-based monomers has been successful, (accessed April 2012)
  7. Brinkman, L. F. “Hot melt adhesive”, US Patent Application No. 20020033228, March 21, 2002
  8. Brinkman, L. F. “Urethane polymer compositions”, US Patent Application No. 20030232956, December 18, 2003

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *