تجربه موفقیت آمیز در تولید فوم پلی یورتان بدون استفاده از ایزوسیانات

فوم های پلی یورتان (PUF ) گروه قابل توجهی از مواد پلیمری هستند. به لطف خواص مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی برجسته، آن ها با موفقیت در طیف گسترده ای از کاربردها استفاده می شوند. به طور معمول، PUF ها در واکنش های بین پلی ال ها، دی ایزوسیانات و آب برای به دست آوردن عامل فوم زای CO2 به دست می آیند. سمیت ایزوسیانات توجه زیادی را هم از سوی دانشمندان و هم از متخصصان صنعت برای کشف مسیرهای سنتز تمیزتر برای پلی یورتان ها به استثنای استفاده از ایزوسیانات به خود جلب کرده است. به نظر می رسد افزودن چندگانه کربنات های حلقوی (CCs ) و آمین های چند عملکردی در حضور یک عامل فوم زای خارجی، امیدوارکننده ترین راه برای جایگزینی فرآیند PUFs معمولی و تولید فوم های پلی یورتان بدون ایزوسیانات (NIPUFs ) باشد. به خصوص برای فوم های پلی هیدروکسی یورتان (PHUF)، استفاده از یک عامل فوم زا برای بازسازی گاز مسئول ایجاد سلول هایی که اساس فوم هستند، ضروری است.
مواد فوم پلیمری از نظر صنعتی و اقتصادی مهم هستند. این مواد سبک وزن بوده و دارای خاصیت عایق حرارتی، عایق صوتی، مقاومت در برابر ضربه و خواص میرایی هستند که به آن ها اجازه می دهد تا نیازهای طیف گسترده ای از کاربردها را برآورده کنند. فوم های پلیمری با موفقیت در صنعت خودروسازی، بسته بندی، الکترونیک، ساخت و ساز ساختمان، ملافه و کاربردهای پزشکی به کار گرفته شده اند. فوم ها به حضور گازی نیاز دارند که معمولاً از طریق عوامل فوم زا وارد شده یا در حین پلیمریزاسیون در محل تولید می شود. در بین فوم ها، پلی یورتان ها (PUs ) یکی از بزرگترین خانواده ها بوده و کاربردهای گسترده ای در مناطق مختلف دارند، زیرا بسته به ماهیت آن ها می توانند برای برآوردن نیازهای خاص، فرموله شوند. فوم های PU (PUF) با افزودن ایزوسیانات به پلی ال ها در حضور آب تولید می شوند که گاز CO2 تولید می کند. با این حال، وجود ایزوسیانات که با استفاده از فسژن تولید می شود، این روش را سمی می کند. بنابراین، دانشمندان در حال مطالعه راه‌ها و روش‌های جدید برای تولید PUF بدون استفاده از این ماده خام هستند. پلیمری که از این روش به دست می آید، پلی یورتان غیر ایزوسیانات (NIPU ) یا پلی هیدروکسی یورتان (PHU ) نامیده می شود. واکنش اساسی برای تهیه NIPUF، آمینولیز کربنات حلقوی با یک دی آمین در حضور یک کاتالیزور، همراه یا بدون یک عامل فوم زای خارجی است. فوم های پلی هیدروکسی یورتان با بایو پلی ال ها و همچنین مونومرهای طبیعی دیگر مانند گلوکز، وانیلیل الکل و ترکیبات مبتنی برtannin استفاده شده است. این فوم های پلیمری با استفاده از کربنات های حلقوی (CCs) و همچنین دی آمین ها تهیه می شوند. فوم شدن از طریق گنجاندن عوامل فوم زا یا واکنش هایی که خود باعث تولید عوامل فوم زا می شود که به عنوان فوم های خود دمنده نیز شناخته می شوند، صورت می گیرد.

واکنش عمومی پلی یورتان و چالش های تولید پلی یورتان غیر ایزوسیانات:

پلی یورتان ها در ابتدا توسط Bayer بیش از ۷۵ سال پیش ساخته شدند و دارای تنوع گسترده ای از ساختارهای مولکولی و ویژگی های پلیمری هستند. فوم ها (۶۵٪ از بازار)، پوشش ها (۱۳٪)، الاستومرها (۱۲٪)، چسب ها (۷٪)، و سایر صنایع، به ویژه بخش زیست پزشکی (۳٪)، اکثریت فروش PU را تشکیل می دهند. تا سال ۲۰۲۶، بیش از ۶۱.۵ میلیارد دلار فوم پلی یورتان در سراسر جهان تولید خواهد شد. فوم های فلکسیبل، مانند فوم هایی که در بالش ها یا تشک ها استفاده می شوند، برای فوم های ریجید، که بیشتر در مواد عایق صوتی یافت می شوند، برای کاربردهای تجاری به طیف وسیعی از خواص نیاز دارند. PUF ها در حال حاضر با فرمولاسیون های واکنش گرمازا از پلی ایزوسیانات ها و پلی ال ها ساخته می شوند. ایزوسیانات ها اغلب هیدرولیز می شوند در حالی که CO2 به طور همزمان تولید شده و منجر به فوم می گردد. بنابراین، هنگامی که دی اکسید کربن آزاد می شود، پلیمر منبسط شده و در نتیجه فوم هایی ایجاد می شود که خواص آن به ترکیب فرمول مواد واکنش پذیر بستگی دارد. با این حال، اجزای ایزوسیانات و پلی ایزوسیانات هر دو برای سلامت انسان بسیار خطرناک هستند و باعث آسم شدید و سایر بیماری های تنفسی می شوند. در نتیجه، آژانس حفاظت از محیط زیست ایالات متحده و قوانین REACH اتحادیه اروپا فشار نظارتی خود را بر متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات و تولوئن دی ایزوسیانات، که به عنوان موادCMR (سرطان زا) طبقه بندی می شوند، افزایش داده اند.
فوم‌های PU با دو فرآیند همزمان تولید می‌شوند: پلیمریزاسیون و ژل شدن پلی‌ال‌ها با ایزوسیانات‌ها و واکنش فوم شدن توسط تولید CO2 از هیدرولیز ایزوسیانات‌ها. رشد صحیح یک فوم با ویژگی های لازم به مدیریت دقیق سینتیک این دو فرآیند متضاد بستگی دارد. کلمهPU به پیوند یورتان اشاره دارد که از برهمکنش گروه های OH (هیدروکسیل) پلی ال و گروه های NCO (گروه عاملی ایزوسیانات) یک ایزوسیانات برای تولید پلیمرها ناشی می گردد. این واکنش گرمازا، گروه های یورتان را ایجاد می کند. واکنش دوم بین ایزوسیانات و آب برای به دست آوردن CO2 انجام می شود که دلیل ایجاد سلول ها و در نتیجه تشکیل فوم PU است. این واکنش اسید کاربامیک تولید می کند که سپس به دی اکسید کربن تجزیه می شود. در پیش ساز پلیمری، دی اکسید کربن غلیظ می شود تا زمانی که به حالت فوق اشباع برسد، در این زمان هسته زایی شروع می گردد. علی رغم بازده و سهولت تهیه فوم های PU از طریق این روش، سمیت پلی ایزوسیانات همچنان یک اشکال عمده برای غلبه بر آن است. تلاش های تحقیقاتی به یافتن روش های جدید تهیه PUF، به استثنای استفاده از ایزوسیانات ها اختصاص یافته است. بنابراین، پلی یورتان های غیر ایزوسیانات (NIPU ) مواد جذاب و امیدوارکننده ای برای ایجاد پلی یورتان هایی هستند که سازگار با محیط زیست بوده و ممکن است کاملاً بر اساس مواد خام تجدید پذیر باشند. یکی از امیدوارکننده‌ترین جایگزین‌ها برای سنتز سنتی PU، واکنش آمینولیز بین یک مونومر کربنات دو حلقه‌ای یا سه حلقه‌ای و یک دی آمین است.

کربنات های حلقوی پنج عضوی مونومرهای مطلوبی بوده، چون غیر سمی هستند. دوست دار محیط زیست ترین روش برای تولید کربنات های حلقوی از زیست توده شامل استریفیکاسیون یک دی ال مبتنی بر زیست با دی متیل کربنات است که به طور گسترده به عنوان یک معرف سبز در نظر گرفته می شود، یا با اپوکسید کردن الفین ها و واکنش اپوکسید حاصل با دی اکسید کربن در وجود کاتالیزور مناسب به دست می آید. پس از سنتز کربنات حلقوی، واکنش آمینولیز CC به دست آمده با دی آمین، واکنش کلیدی برای تهیه پلی یورتان بدون ایزوسیانات است. آمینولیز دی آمین ها و کربنات حلقوی راهی مستقیم برای به دست آوردن این نوع پلیمر با استفاده از کاتالیزور مناسب است (شکل۱). تشکیل هر پیوند یورتان باعث تشکیل یک گروه هیدروکسیل ثانویه یا اولیه می شود. بنابراین، NIPU ها ممکن است به طور متناوب پلی هیدروکسی یورتان نامیده شوند. کربنات های حلقوی و پیش سازهای آمین برای سنتز پلی هیدروکسی یورتان مورد توجه قرار گرفته اند. سیکلوکربنات ها به دلیل حلالیت و دمای جوش بالا نسبت به چندین نوع معرف دیگر مزیت قابل توجهی دارند. انواع مختلفی از دی آمین ها یا پلی آمین ها در این روش استفاده می شود، آمین های آلیفاتیک یا آروماتیک، که انتخاب گسترده ای از NIPU ها با خواص ساختاری، مکانیکی، حرارتی و شیمیایی متفاوت را در اختیار ما قرار می دهد. مزیت دیگر این روش امکان به دست آوردن مونومرهای CC با پایه زیستی با استفاده از مونومرهای طبیعی مانند وانیل الکل یا روغن های پایه زیستی در واکنش تثبیت CO2 است.
فوم های پلی یورتان با واکنش پلی ایزوسیانات ها با پلی ال با استفاده از کاتالیزور و حلال سنتز می شوند. فوم های به دست آمده دارای خواص مکانیکی خوبی از جمله استحکام کششی بالا و مقاومت در برابر پارگی هستند. فوم های پلی یورتان به دلیل پایداری خوب و مقاومت در برابر تغییر شکل تحت بار نیز شناخته شده اند. از طرف دیگر فوم های NIPU بدون استفاده از ایزوسیانات سنتز می شوند. در عوض، NIPU ها با استفاده از عوامل اتصال عرضی جایگزین، مانند دی ال ها، دی آمین ها، یا لاکتون ها سنتز می شوند. فوم های NIPU عموماً دارای خواص مکانیکی پایین تری نسبت به فوم های پلی یورتان سنتی هستند، از جمله استحکام کششی، مقاومت فشاری و مقاومت در برابر پارگی کمتر.

تجربه موفقیت آمیز در تولید فوم پلی یورتان بدون استفاده از ایزوسیانات
شکل ۱: مسیرهای مختلفی که برای تهیه NIPU استفاده می شود.

فوم های NIPU مبتنی بر عامل فوم زای خارجی:
تهیه مواد متخلخل مانند NIPUF نیاز به استفاده از عوامل فوم زا برای به دست آوردن NIPUهای سلولی دارد. یک ماتریس پلیمری را می توان در واکنش بین کربنات ها یا دی آمین های حلقوی و یک عامل فوم زای خارجی برای ایجاد گاز – خواه CO2، H2 یا گاز دیگر – بدست آورد که نقش مهمی در تهیه فوم مورد نظر ایفا می کند. مایع هیدروفلوئوروکربن، که با عنوان تجاری Solkane 365/227 شناخته می شود، به عنوان یک عامل فوم زای فیزیکی برای تهیه فوم های زیستی NIPU استفاده می شود. ادعا می شود که این هیدروفلوئوروکربن مایع غیر قابل اشتعال است و هیچ اثر نامطلوبی بر لایه ازن در جو ندارد. کربنات های حلقوی سنتز شده با منبع زیستی، مانند تری متیل پروپان گلیسیدیل اتر کربناته (TMPGC ) و TMPGC اتوکسیله (EOTMPGC)، سپس با کاتالیزور DABCO به مدت ۴-۶ دقیقه در دمای اتاق مخلوط شدند و HMDA اضافه می شوند(شکل ۲).

شکل ۲: واکنش برای به دست آوردن INPUT با استفاده ازSolkane 365/227 .

پلی متیل هیدروژنسیلوکسان (MH15)، یک عامل فوم زا حاوی گروه‌های SiH که با مواد حاوی آمین‌ها واکنش می‌دهند، با مقدار هم‌مولاری آمین برای تولید دی هیدروژن ترکیب شده است. انبساط مواد برای تولید فوم های NIPU ناشی از انتشار گاز است. این ماده فوم زا در آمینولیز Jeffamine EDR-148 و Priamine 1073 با کربنات های دو حلقه ای و سه حلقه ای به دست آمده از کربناته شدن پلی (پروپیلن اکسید) دی گلیسید اتر و تری متیل پروپان تری گلیسید اتر استفاده شد. استفانی و همکارانش اثر این ماده فوم زا را بر پارامترهای مختلف فوم مورد مطالعه قرار دادند و به این نتیجه رسیدند که با افزایش محتوای آمین، فومی با چگالی کم در غلظت‌های کم عامل فوم زا تولید می‌شود. این احتمالاً به این دلیل است که وقتی عامل فوم زا و آمین برهم کنش دارند، گاز هیدروژن تولید می گردد. با استفاده از همان عامل فوم زا (به عنوان مثال، پلی (هیدرومتیل سیلوکسان) (PHMS))، روش جدیدی برای تهیه فوم های NIPU توسط Valette و همکارانش ایجاد شد که در آن الیگومرهای NIPU پایان یافته با آمین زیستی از طریق ترانس یورتان تهیه شدند.
فوم های NIPU خود دمنده:
به دلیل واکنش ضعیف گروه های کربنات و آمین حلقوی در دمای اتاق، فوم های مبتنی بر PHU به ندرت استفاده می شوند. بنابراین، تلاش های تحقیقاتی به توسعه روش هایی برای PHU خود دمنده اختصاص یافته است. ایجاد فوم های PHU خود دمنده در مطالعه اخیر انجام شده توسط Anitha و همکارانش بر اساس کربنات ها و آمین های حلقوی انتخاب شده، انجام شده است. واکنش الیگومریک فنیل هیدروکسی آمین (AOPHA ) با کربنات حلقوی رزورسینول دی گلیسیدیل اتر (RDGCC ) منجر به آزاد شدن دی اکسید کربن و واکنش موازی گروه های هیدروکسیل و گروه های آمینه با گروه های کربنات حلقوی می شود که در طول دوره، رقابت می کنند.

برای مطالعه خبرهای بیشتر در حوزه محصولات پلی یورتانی، صفحات دیگر وبسایت را بررسی کنید.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

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