پلی یورتان ( پانلی، یخچالی، کانکس،..)

پلی یورتان ( پانلی، یخچالی، کانکس،..)

1- مقدمه

    پلی یورتان ها یا پلی اورتان ها (PUR وPU ) یک دسته از پلیمرهای متداول هستند که از واحدهای آلی متصل به پیوندهای کاربامات (اورتان) تشکیل شده اند. بر خلاف سایر پلیمرهای رایج مانند پلی اتیلن و پلی استایرن ، پلی اورتان از طیف وسیعی از مواد اولیه (مونومرها) می تواند تولید شود و بنابراین این یک گروه و یا دسته ای از پلیمرها به حساب می آید نه یک ترکیب تنها. این تنوع شیمیایی به پلی اورتان ها اجازه      می دهد تا با بهره مندی از خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار متفاوت در طیف وسیعی از زمینه های مختلف از جمله: فوم های سفت و انعطاف پذیر ، لاک ها و روکش ها ، چسب ها ، صنایع الکترونیکی و الیافی نقش داشته باشند. از این میان ، فوم ها بزرگترین کاربرد را دارا هستند. 

پلیمرهای پلی اورتان به طور سنتی و متداول از واکنش دی یا تری ایزوسیانات با ترکیبی که دارای گروه هیدروکسی (OH) است تشکیل می شوند. از آنجا که پلی یورتان ها دارای دو نوع مونومر هستند که یکی پس از دیگری پلیمری می شوند ، خواص یک پلی اورتان به شدت تحت تأثیر انواع ایزوسیانات ها و پلی اُل های مورد استفاده در ساخت آن است. قطعات بلند و انعطاف پذیر که توسط پلی اُل ها وارد سیستم می شوند ،پلیمر را نرم و به آن خاصیت الاستیک می دهند. 

مقادیر زیاد اتصال عرضی ، پلیمرهای سخت یا سفت را ایجاد می کنند. در نتیجه هرچه زنجیرهای بلند بیشتر و پیوند عرضی کمتر باشد, پلیمری کشسان تر خواهیم داشت و برعکس آن, تعدد زنجیره های کوتاه با پیوندهای عرضی متعدد پلیمری سخت تولید می کنند. انتخاب های موجود برای ایزوسیانات ها و پلی اُل ها ، علاوه بر سایر افزودنی ها و شرایط فرآوری به پلی اورتان ها اجازه می دهد تا طیف وسیعی از خواص را داشته باشند که آنها را جز پلیمرهای پرکاربرد قرار می دهد. ترکیباتی که دارای گروه ایزوسیانات هستند عبارتند از : 2و4 تولوئن دی ایزوسیانات, 4و4 یا 2و4 دی فنیل متان دی ایزوسیانات، 1و6 هگزا متیلن دی ایزوسیانات و ...
همچنین ترکیبات دارای گروه هیدروکسیل که در این زمینه مورد استفاده قرار می گیرند عبارت اند از:بطور معمول از گونه های زیر استفاده می شود : پلی اتر پلی ال، پلی استر پلی ال، پلی کربنات پلی ال، پلی کاپرولاکتون پلی ال و ....
تولید جهانی پلی اورتان در سال 2019 حدود 25 میلیون تن بوده است که حدود 6 درصد از کل پلیمرهای تولید شده در آن سال را شامل می شود. این حجم به اندازه کافی بالا است تا به توان این پلیمر را در دسته ی پلیمر های پرمصرفی جهانی قرار داد.

2- تاریخچه

    اوتو بایر و همکارانش در لورکوزن آلمان ، اولین بار در سال 1937 پلی اورتان ها را ساختند. پلیمرهای جدید دارای مزایایی نسبت به پلیمر های موجود بودند که با پلیمریزاسیون الفین ها یا با تراکم چندگانه ساخته می شدند. کارهای اولیه بر تولید الیاف و فوم های انعطاف پذیر و PUs در مقیاس محدود به عنوان پوشش هواپیما در طول جنگ جهانی دوم استفاده شد. پلی ایزوسیانات ها در سال 1952 به صورت تجاری وارد بازار شدند و تولید فوم پلی اورتان انعطاف پذیر در سال 1954 با ترکیب تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و پلی استرها آغاز شد. این مواد همچنین برای تولید فوم های سفت و سخت ، لاستیک و صمغ و الاستومرها استفاده می شدند. در سال 1960 بیش از 44500 تن فوم پلی اورتان انعطاف پذیر تولید شد. در دسترس بودن کلروفلوروآلکان ها ، پلی اُل های ارزان قیمت، پلی اتیلن و متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات (MDI) به فوم های سفت و سخت پلی اورتان اجازه می دهد تا به عنوان مواد عایق با کارایی بالا استفاده شوند. در سال 1967 ، فومهای سفت و سخت پلی یوسیانورات اصلاح شده با اورتان معرفی شدند ، که حتی ثبات حرارتی و مقاومت در برابر اشتعال پذیری بهتری را ارائه می دادند. 

3- کاربردها

    همانطور که گفته شد از این ماده در عایق یخچال ها و فریزرها استفاده می شود فوم عایق پلی یورتان سفت و سخت با کاهش انرژی مورد نیاز برای سرد نگه داشتن یخچال و فریزر کمک زیادی به پایداری و طراحی محیطی می کند. فوم سفت و سخت پلی اورتان ماده عایق است که بیشترین استفاده را در سرتاسر دنیا برای یخچال و فریزر دارد. راندمان عایق فوم های پلی یورتان یک ویژگی کلیدی برای حفظ دمای پایین مواد غذایی در طول پردازش، نگهداری و توزیع به مصرف کننده است. بدون یخچال عایق پلی یورتان، تقریباً نیمی از مواد غذایی جهان فاسد می شود و به شدت بر زندگی روزمره ما و تجارت مرتبط با مواد غذایی تأثیر می گذارد.

پلی یورتان ها برای عایق کاری دستگاه های برودتی ایده آل هستند و دارای مزایای عمده ای هستند که عبارتند از:
عایق های عالی، ساختاری قوی (به لطف سفتی فوم و چسبندگی پوسته های خارجی (پلاستیک و فلز))، مقرون به صرفه ترین راه حل تولید، بی خطر، بسیار سبک (درنتیجه هزینه های حمل و نقل را کاهش می دهد)، مقرون به صرفه  (کاهش هزینه های یخچال و فریزر)

    1-3- فوم ها    

پلی اورتان ها دارای کاربردهای زیادی هستند. بیش از سه چهارم مصرف جهانی محصولات پلی اورتان به صورت فوم است.

1-1-3- فوم انعطاف پذیر

 معمولا به طور مستقیم از ایم فوم ها استفاده نمی شوند و در محصولات متعدد ظاهر می شوند مانند: فوم های انعطاف پذیر در پشت پارچه های مبلمانو یا سایر مواد سطحی در مورد پنل های عایق حرارتی در بخش ساختمان. استفاده از پلی اورتان ها در پوشاک و جهت قالب گیری هایی نظیر قاب درها ، ستون ها ، نرده ها ، پنجره ها ، پایه ها ، مدال ها و ... مورد استفاده هستند.

2-1-3- فوم سفت

     فوم های پلی یورتان محکم یکی از بهترین، اقتصادی ترین عایق های دنیا را ایجاد می کنند. این فوم ها می توانند هزینه های انرژی را به میزان زیادی کاهش دهند و در عین حال نصب راحت تری دارند.
بنابراین برای اکثر خانه ها، این هزینه ها بسیار زیاد حساب می شوند. این فوم ها مواد عایق موثری هستند که می توان از آن ها در عایق کاری سقف و دیوارها، درب ها, عایق کاری پنجره ها و به عنوان درزگیر هوا استفاده کرد.  

 
2-3-  رزین پلی اورتان

رزین پلی اورتان به عنوان یک ماده کفپوش جهت عایق کف و زیبایی استفاده می شود. خصوصیات این محصول آن است که بدون درز و مقاوم در برابر آب ، برای استفاده در فضای داخلی مورد استفاده قرار می گیرند. محصولات پلی اورتان در این زمینه نام های مختلفی مانند سیلر پلی یورتان، کیلر براق پلی یورتان، کیلر نیمه براق پلی یورتان، کیلر مات پلی یورتان، کیلر بی رنگ پلی یورتان، بتونه (پرایمر) پلی یورتان، رنگ سفید براق پلی یورتان، رنگ سفید نیمه مات پلی یورتان و ... می باشد.

 3-3- مواد در ارتباط با آب و رطوبت

برای ساخت موادی با چگالی کمتر از آب که معمولا دارای حفرات هوا هستند از پلی اورتان ها و یا روکش های پلی اورتانی استفاده می شود تا از نفوذ آب به ماده ی مورد نظر جلوگیری شود. از موارد استفاده این مواد می توان به ساخت تخته های موج سواری, بدنه ی قایق های سبک و دیواره ی لوله های انتقال آب اشاره کرد.

         
4-واکنش ها

امرزوه با افزایش توجه به محیط زیست و استفاده از آن به عنوان منبعی طبیعی سبب افزایش علاقه به پلی ال های مشتق شده از روغن های گیاهی شده است. روغن‌های مختلفی که در تهیه پلی ‌ال‌ها برای پلی ‌اورتان‌ها استفاده می‌شوند موارد متعددی هستند, مانند سویا، دانه پنبه، دانه چریش و کرچک. روغن‌های گیاهی به روش‌های مختلف عامل‌دار می‌شوند و به پلی‌اترآمید، پلی‌اتر، آلکید و غیره تغییر می‌یابند. برخی از پلی یورتان های بیولوژیکی و بدون ایزوسیانات از واکنش بین پلی آمین ها و کربنات های حلقوی برای تولید پلی هیدروکسورتان ها استفاده می کنند.

5- روش های تولید

    1-5- روش تولید کلاسیک

پلی اورتان ها از طریق واکنش دی ایزوسیانات ها با پلی اُل ها تولید می شوند، با توجه به مونومر های شرکت کننده، واکنش می تواند در حضور کاتالیزور، در معرض نور ماوراء بنفش و یا حتی در دمای محیط انجام شود. کاتالیزورهای رایج مورد استفاده در واکنش های تولید پلی اورتان ها شامل آمین های سوم مانند DABCO یا صابون های فلزی مانند دی‌بوتیلتین دی آلارات هستند. استوکیومتری مواد اولیه باید با دقت کنترل شود زیرا ایزوسیانات های اضافی می توانند چندین برابر شوند، که منجر به تشکیل پلی ایزوسیانورات های سفت و سخت می شود.

    2-5- روش تولید فوم های جامد

رایج ترین کاربرد پلی اورتان ها، مصرف آنها به عنوان فوم های جامد است که نیاز به حضور گاز یا یک عامل ایجاد مولکول های گازی در مرحله پلیمریزاسیون می باشد. این امر معمولاً با افزودن آب ، که با ایزوسیانات ها واکنش داده و گاز CO2 و آمین ایجاد می کنند به دست می آید. آمین تولید شده نیز می تواند با ایزوسیانات ها واکنش داده و گروه های اوره را تشکیل دهد. اوره در مخلوط واکنش چندان محلول نیست و تمایل دارد به صورت فاز جداگانه ای که عمدتاً از پلی اوره تشکیل شده است ، تشکیل دهد. غلظت و کنترل  فاز پلی اوره می تواند تأثیر به سزایی در خواص فوم داشته باشد.

نوع فوم تولید شده را می توان با تنظیم مقدار عامل ایجاد کننده ی گاز و همچنین افزودن سورفکتانت های مختلف ، کنترل نمود. فوم ها می توانند دارای "سلول های بسته" باشند ، جایی که بیشتر حباب ها یا سلولهای اصلی سالم باقی می مانند و یا دارای "سلول های باز" باشند، یعنی جایی که حباب ها شکسته شده اند ، اما لبه های حباب ها آنقدر سفت هستند که شکل خود را حفظ می کنند ، در مواردی می توان فوم های مشبک ایجاد کرد, به طوری که فوم های دارای سلول های باز نرم شده و اجازه عبور هوا را می دهند ، بنابراین هنگام استفاده در فوم های درون بالشت ها و یا تشک ها بسیار راحت هستند. فوم های سلول بسته به عنوان عایق حرارتی قابل استفاده هستند. 

6- تحقیقات جدید بر روی پلی اورتان ها 

صنایع نظامی
 از کاربردهای جدید این دسته از مواد, الاستومرهای اوره پلی یورتان ها هستند که توسط محققان آزمایشگاه تحقیقاتی ارتش ایالات متحده و موسسه فناوری ماساچوست برای کلاه ایمنی ، سپر های تدافعی و جلیقه های ضد گلوله برای سربازان مورد بررسی قرار گرفته است.

7- شرایط نگهداری

    مهم ترین مسئله ی مربوط به نگهداری و انبار کردن این دسته از پلیمر, دور نگه داشتن آنها از شعله و گرمای مستقیم و یا هر عامل آتش زای دیگر است.
درب بسته بندی بایستی در مکانی باز شود که تهویه ی مناسب وجود داشته باشد.

8- ایمنی

    قرار گرفتن طولانی مدت در معرض پلی اورتان ها بلامانع است, زیرا که پلی اورتان های تولید شده از پایداری زیادی برخوردار هستند و واکنش پذیری کمی دارند، در نتیجه با سلول های زیستی بدن وارد واکنش نمی شوند. اما نکته ی مهم در مورد برخی پلی اورتان ها که خاصیت آتش گیری دارند ( برخی دارای پوشش های ضد حریق و یا خاصیت ضد حرق هستند.)س آن است که در صورت آتش گرفتن مقدار زیادی گاز های مونوکسید کربن و هیدروژن سیانید آزاد می کند که برای سلامتی بسیار خطرناک هستند و بایستی به سرعت از دودها حاصل از احتراق دوری کرد.    
در مورد پلی اورتان هایی که به عنوان لاک و پوشش های جلادهنده استفاده می شوند, بایستی دقت شود که نباید تا قبل از خشک شدن کامل در معرض آنها قرار گرفت, زیرا به علت دارا بودن برخی حلال های آلی ممکن است فراریت داشته باشه و تنفس را دچار مشکل کنند.