پلی یورتان ها (PUs ) نقش کلیدی در صنعت پلاستیک دارند. با توجه به بازار جهانی پلی یورتان (۲۰۱۹-۲۰۲۳)، ارزش آن ها در بازار جهانی در سال ۲۰۱۹ به ۹۵/۱۳ میلیارد دلار رسید و انتظار می رود با نرخ رشد سالانه ۱۲ درصد رشد کند. نگرانی‌های زیست‌محیطی در مورد ایزوسیانات‌های مبتنی بر ذخایر فسیلی دلیلی است که تحقیقات بر روی همتایان سبز آن‌ها بیشتر مورد توجه قرار گرفته است. طبق آمار، تقریباً ۸ درصد از مقالات تحقیقاتی منتشر شده در مورد PU ها از سال ۲۰۱۵ تا کنون از منابع مبتنی بر مواد سبز استفاده می کنند. محققان معتقدند که حذف فسژن، کلیدی برای تولید PU سبز است. با این حال، هنوز راه درازی برای توسعه PU های سبز با خواص و عملکرد قابل مقایسه با نمونه های مبتنی بر فسیل وجود دارد.
پلی یورتان ها (PUs ) پلیمرهای پرکاربردی هستند که به طور گسترده در طیف گسترده ای از کاربردها مانند: پوشش های محافظ، چسب ها و عایق ها در صنایع خودروسازی و ساختمانی استفاده می شوند. PUها را می توان در اشکال مختلف مانند محصولات جامد، فوم، رنگ، لاک، چسب و … یافت. آن ها بیشتر به دلیل خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی عالی، به ویژه مقاومت در برابر سایش، دوام و استحکام کششی شناخته شده اند. به لطف ویژگی های پلی یورتان، بازار PU همیشه رشد را تجربه کرده است. بر این اساس، انتظار می‌رود بازار جهانی PU با نرخ رشد سالانه ۳/۸ درصد بین سال‌های ۲۰۲۱ و ۲۰۲۸ رشد کند. برآوردها همچنین نشان می دهد که شهرنشینی و مهاجرت ممکن است منجر به افزایش مصرف PU در صنایع ساخت و ساز و حمل و نقل گردد. به همین ترتیب، تقاضا برای PU باید روند صعودی داشته باشد.
استفاده از مواد اولیه فسیلی در چند دهه اخیر به طور جدی برای جلوگیری از انتشار گازهای گلخانه ای محدود شده است. علاوه بر این، جای تعجب نیست که مقادیر عظیمی از زباله های پلاستیکی در محل های دفن زباله ریخته شده و به دریاها و اقیانوس ها می رسند و یک بحران جدی جهانی ایجاد می کنند. بنابراین، محققان برای به دست آوردن محصولات سبزتر تلاش می کنند. همانطور که استاندارد اروپایی EN16575 تعریف می کند، پلاستیک های مشتق شده به طور کامل یا جزئی از مواد زیستی (مانند روغن های گیاهی، شکر، نشاسته) به عنوان مواد سبز شناخته می شوند.
به طور معمول، PU ها از طریق واکنش افزودنی دی یا پلی ایزوسیانات ها و پلی ال ها به دست می آیند. مکانیسم واکنش چند افزودنی بین ایزوسیانات ها و ترکیبات پلی هیدروکسی برای اولین بار توسط Otto Bayer و همکارانش در سال ۱۹۳۷ معرفی شد. (شکل۱)
مطالعه بیشتر: پلی یورتان و نقش آن در کاهش ضایعات مواد غذایی
تولید PU عمدتا بر اساس مواد اولیه نفتی است که بنزن، تولوئن، اتیلن و پروپیلن به عنوان رایج ترین مواد شیمیایی آن هستند. از سوی دیگر، مواد خام مبتنی بر محصولات طبیعی (روغن ها، قندها و گلیسیرول زیستی) به طور کاملاً محدود استفاده می شوند. در طول دو دهه گذشته، صنعت پلاستیک به دنبال جایگزینی P-PU با G-PU از منابع تجدید پذیر بوده تا نگرانی های پایداری در مورد منابع مبتنی بر مواد فسیلی را از بین ببرد. پلی‌ال‌های زیستی به‌طور گسترده برای تولید G-PU شناخته شده‌اند، از جمله پلی‌ال‌های تولید شده از روغن کلزا، روغن سویا، روغن کرچک، لیگنین یا کاردانول. پلی یورتان ها اغلب از تری گلیسیریدهای اصلاح شده شیمیایی و اسیدهای چرب آن ها به دست می آیند. از طرف دیگر ایزوسیانات ها عمدتاً از واکنش یک آمین با فسژن سمی تولید می شوند. در حال حاضر، کمبود دانش جامع در مورد تهیه ایزوسیانات ها از مواد خام تجدید پذیر وجود دارد. عیب اصلی آن ها علاوه بر سمیت فسژن، منابع فسیلی محدودی است که برای تولید ایزوسیانات ها استفاده می گردد. بنابراین، توسعه یک راه جایگزین و سازگار با محیط زیست برای تولید ایزوسیانات ها ضروری است.
ایزوسیانات های پایه فسیلی:
ایزوسیانات های موجود در بازار معمولا حاوی یک یا دو گروه ایزوسیانات متصل به یک مولکول آروماتیک یا آلیفاتیک هستند. ایزوسیانات های آروماتیک دارای برخی خواص مکانیکی بهبود یافته و واکنش پذیری بالاتر بوده، در حالی که ایزوسیانات های آلیفاتیک در معرض نور زرد نمی شوند، اما متاسفانه آن ها گران تر از ایزوسیانات های آروماتیک هستند. در P-PUهای تولید شده صنعتی، دو ایزوسیانات در ۹۰ درصد کاربردها استفاده می شود: ۱. TDI (تولوئن دی ایزوسیانات) و ۲. MDI (دی فنیل متان دی ایزوسیانات). این ایزوسیانات ها در مقیاس وسیع تولید می شوند. TDI پیشگام بوده و در حال حاضر عمدتاً برای فوم های فلکسیبل با چگالی کم استفاده می گردد.
ایزوسیانات های زیستی و سنتز آن ها:
با توجه به محدودیت‌هایی که مقامات اتحادیه اروپا بر اساس مقررات REACH در مورد دی ایزوسیانات‌ها اتخاذ کرده‌اند، جستجوی راه‌های جایگزین برای تولید ایزوسیانات‌ها یا اصلاح سنتز پلی‌یورتان‌ها بسیار اهمیت دارد. نتایج تجزیه و تحلیل ثبت اختراع نشان دهنده روند رو به رشد در زمینه پلی یورتان ها است، در حالی که تجزیه و تحلیل انتشار مقالات نشان دهنده علاقه فزاینده به زمینه بیو ایزوسیانات ها / بیو پلی یورتان ها است. نتایج علمی می تواند به تغییر در سیاست و استفاده از ایزوسیانات ها کمک کرده و اطلاعاتی در مورد خطرات ناشی از مواد مختلف ارائه دهد.
مواد اولیه برای سنتز ایزوسیانات های زیستی:
در ابتدا، فوم های پلی یورتان ریجید با استفاده از روغن کرچک به دست آمدند. توسعه جایگزین های مصنوعی منجر به حذف کامل پیش سازها از منابع زیستی شد. کار بر روی سنتز پلی یورتان ها از مواد خام تجدید پذیر به دلیل پیش بینی ها مبنی بر کاهش سوخت های فسیلی اکنون از سر گرفته شده است. ایزوسیانات های مبتنی بر مواد زیستی که به صورت تجاری تولید می شوند در حال حاضر در دسترس بوده، اما دسترسی به آن ها محدود است. به عنوان مثال، (Vencorex Chemicals (Saint-Priest، یک دی ایزوسیانات آلیفاتیک به نام Tolonate™ X FLO 100 که از روغن نخل مشتق شده است، تولید کرده است. این ایزوسیانات با ویسکوزیته کم و محتوای کربن ۳۲ درصد مشخص می شود. این ایزوسیانات معمولاً به عنوان پیش ماده برای سنتز رزین اپوکسی برای کاربردهای پوشش استفاده می گردد. با این حال، تا آنجا که ما می دانیم، هیچ نمونه ای در رابطه با تهیه فوم های پلی یورتان فلکسیبل با استفاده از Tolonate وجود ندارد. علاوه بر این، Covestro یک تریمر PDI را با نام تجاری Desmodur® eco N 7300.80 ارائه می‌کند. مشخصه آن زیستی (۷۰٪) و کاهش مقدار کربن (۳۰٪) در مقایسه با محصولات مبتنی بر مواد فسیلی است. برای مثال در پوشش‌های صنایع خودروسازی یا پلاستیک استفاده می‌گردد. می توان از آن در هر دو سیستم مبتنی بر حلال و بدون حلال استفاده کرد. از نظر خواص نیز مشابه پتروشیمی های خود بوده و کیفیت های مشابهی دارد. آخرین ایزوسیانات تجاری موجود STABIO™ PDI است که توسط شرکت میتسویی شیمیایی تولید می شود. این یک پلی ایزوسیانورات آلیفاتیک بر پایه ۱،۵-پنتامتیلن دی ایزوسیانات زیستی است. با محتوای زیست توده بیش از ۶۰٪ و محتوای NCO بالا مشخص شده و مقاومت مناسبی در برابر حلال ها و هوازدگی نشان می دهد. متأسفانه، شرکت های ذکر شده فرمول های خود را در درخواست های ثبت اختراع فاش نمی کنند.
بدون دیدگاه