.gif)
پلی‌یورتان‌ها دسته‌ای از پلیمرهای چندکاره و متنوع هستند که ساختار و مورفولوژی آن‌ها براحتی قابل تنظیم است تا ویژگی‌های مکانیکی، فیزیکی، شیمیایی و زیستی مختلفی از خود نشان دهند. این پلیمرها می‌توانند رفتاری ترموپلاستیک (گرمانرم) یا ترموست (گرماسخت) داشته باشند و اغلب بعنوان پلیمرهایی با خواصی بین لاستیک و پلاستیک توصیف می‌شوند.
پلی‌یورتان‌ها در بازه‌ی زمانی ۲۰۰۲ تا ۲۰۱۴ حدود ۲%/۸ از کل تولید جهانی رزین‌های پلیمری را به خود اختصاص داده و تولید آن‌ها در سال ۲۰۱۵ از ۳۰۰ میلیون تن فراتر رفته است. بدلیل تنوع بالا و هزینه‌ی نسبتاً کم، پلی‌یورتان‌ها در کاربردهای صنعتی متعددی از جمله فوم‌ها، پوشش‌ها، منسوجات، ماشین‌آلات، تجهیزات ورزشی، حمل‌ونقل، خودرو، ساختمان و الکترونیک مورد استفاده قرار گرفته‌اند.
علاوه بر این کاربردهای سنتی، در سال‌های اخیر قابلیت‌های پلی‌یورتان‌ها در زمینه‌های نوین و فناوری‌های پیشرفته مانند الکترونیک نرم و پوشیدنی، تجهیزات ذخیره‌سازی انرژی، حسگرهای زیستی، محرک‌ها، دستگاه‌های فتوولتاییک، مواد پاسخ‌گو به محرک‌ها و نیمه‌هادی‌ها بطور فعال مورد پژوهش و توسعه قرار گرفته است.
پلی‌یورتان‌ها نه‌تنها عملکرد بالایی دارند که می‌تواند نیازهای نسل بعدی فناوری‌ها را پاسخ دهد، بلکه برای تولید پایدار نیز از منظر زیست‌محیطی مناسب‌اند. در میان انواع مختلف پلی‌یورتان‌ها، پلی‌یورتان پایه آبی می‌تواند خواص مکانیکی برتر پلی‌یورتان‌ها را با استفاده از آب بعنوان محمل یا حلال اصلی ارائه دهد. پلی‌یورتان پایه آبی بصورت سیستم کلوئیدی تعریف می‌شود که در آن ذرات پلی‌یورتان در محیط پیوسته آبی پراکنده شده‌اند. اجزای اصلی آن در آب قابلیت پخش‌شدن دارند و از خواص کلوئیدی عالی برخوردار هستند، بطوریکه براحتی می‌توان آن‌ها را در سطح میکروسکوپی با ذرات دیگر یا پلی‌الکترولیت‌ها جهت تنظیم خواص مکانیکی یا حرارتی، و حتی با نانوذرات معدنی ترکیب کرد تا کامپوزیت‌های عملکردی ایجاد شود. پلی‌یورتان پایه آبی بدلیل مقدار کم ترکیبات آلی فرار (VOCs)، بعنوان ماده‌ای دوستدار محیط‌زیست برای تولید پایدار شناخته می‌شود.
ساختار
پلی‌یورتان‌ها از واکنش پلیمریزاسیون ایزوسیانات با پلی‌ال و تشکیل پیوندهای یورتان تولید می‌شوند. یک پلی‌یورتان معمولی ممکن است دارای ترکیباتی مانند یورتان، هیدروکربن‌های آلیفاتیک یا آروماتیک، استرها، اترها، آمیدها و اوره باشد. بنابراین، بسته به ترکیب و نوع این گروه‌ها، پلی‌یورتان‌ها می‌توانند از نظر ساختار شیمیایی ترموپلاستیک یا ترموست، و از نظر فیزیکی جامد سخت یا الاستومر نرم باشند. ترکیب‌های مختلف از پلی‌ال‌ها و ایزوسیانات‌ها ویژگی‌های مکانیکی پلی‌یورتان را تعیین می‌کند.
ساختار مولکولی پلی‌یورتان‌ها می‌تواند برای دستیابی به خواصی مانند استحکام ضربه‌ای بالا در دماهای پایین، قابلیت فوم شدن آسان، و مقاومت در برابر سایش، ازن، اکسیداسیون و پارگی تنظیم شود. این ویژگی‌ها باعث شده‌اند که پلی‌یورتان‌ها در کاربردهای مختلفی، استفاده شوند.
پلی‌یورتان پایه آبی برای کاهش استفاده از ترکیبات آلی فراری مانند دی‌متیل‌فرم‌آمید (DMF)، دی‌متیل‌سولفوکسید (DMSO) و تتراهیدروفوران (THF) که در تولید پلی‌یورتان‌های معمول پایه حلالی کاربرد داشتند، توسعه یافته است. این نوع پلی‌یورتان دارای شفافیت بالا، مقاومت سایشی مناسب، و قابلیت تجدید پوشش (revarnishing) است، و در مقابل انواع پایه حلالی مقاومت بالاتری در برابر آب، ضربه و خراش دارند.
از زمان توسعه این محصول، بازار جهانی پلی‌یورتان پایه آبی در سال ۲۰۱۴ از ۲۹۰ هزار تن فراتر رفته و اکنون به‌عنوان بخشی حیاتی از محصولات صنعتی در طیف گسترده‌ای از کاربردها از جمله چسب‌ها، پوشش‌ها، مواد عایق و الاستومرها شناخته می‌شود.
برای دستیابی به پلی‌یورتان پایه آبی، بخش‌های یونی و آبدوست به زنجیرهی پلی‌یورتان اضافه می‌شود تا پراکندگی آن در آب تسهیل گردد. خواص این محصول ارتباط زیادی با تنوع مواد اولیه به‌کاررفته در سنتز آن دارد. در یک فرایند سنتز معمول برای پلی‌یورتان پایه آبی، ابتدا یک پیش‌پلیمر پلی‌یورتانی با گروه انتهایی ایزوسیانات از طریق پلیمریزاسیون مرحله‌ای پلی‌ال‌ها، دی‌ایزوسیانات و بخش‌های یونی آبدوست در حضور کاتالیست ساخته می‌شود. پیش‌پلیمر حاصل که دارای مقدار اضافی دی‌ایزوسیانات است (نسبت NCO به OH بیشتر از ۱)، در یک حلال مانند استن یا متیل‌اتیل‌کتون (MEK) حل می‌شود. سپس این پیش‌پلیمر در آب پخش شده تا یک امولسیون با ساختارهای میسل‌مانند تشکیل شود.
در ادامه، زنجیره‌گستر آمینی از نوع دی‌آمین به این امولسیون افزوده می‌شود تا پلیمر با وزن مولکولی بالا حاصل گردد. شکل ۱ ساختار بخش‌های آنیونی پلی‌یورتان را نشان می‌دهد.
پس از سنتز پیش‌پلیمر، خنثی‌سازی گروه‌های یونی برای پایدارسازی پلی‌یورتان پایه آبی ضروری است. در پلی‌یورتان پایه آبی آنیونی، معمولاً گروه‌های اسیدی با تری‌اتیل‌آمین خنثی می‌شوند. فرآیند خنثی‌سازی بر اندازه ذرات، جرم مولی و خواص مکانیکی فیلم‌های پلی‌یورتان پایه آبی تأثیر مستقیم دارد.
علاوه بر خنثی‌سازی، فرایند افزایش طول زنجیره(Chain extension) نیز برای افزایش وزن مولکولی پلیمر و در نتیجه بهبود خواص مکانیکی آن ضروری است. این کار معمولاً با ترکیبات دو‌عاملی (دی‌آمین‌ها یا دی‌ال‌ها) با وزن مولکولی کمتر از ۴۰۰ گرم بر مول انجام می‌شود. یکی از دلایل اهمیت افزایش وزن مولکولی این است که درهم‌تنیدگی زنجیره‌ها بیشتر شده و در نتیجه استحکام کششی پلی‌یورتان پایه آبی افزایش می‌یابد. علاوه بر تشکیل پیوندهای یورتان (بخش‌های سخت حاصل از واکنش پلی‌ال و دی‌ایزوسیانات)، پیوندهای اوره نیز از واکنش دی‌آمین‌ها با ایزوسیانات‌ها بوجود می‌آیند؛ این پیوندها بعنوان بخش‌های سخت اضافی عمل کرده و مقاومت مکانیکی پلی‌یورتان را افزایش می‌دهند.
همچنین، گروه‌های N-H از طریق پیوند هیدروژنی با گروه‌های کربونیل و اکسیژن اتر موجود در پلی‌ال‌ها (در بخش نرم) برهم‌کنش می‌کنند و باعث تقویت بیشتر استحکام مکانیکی می‌شوند. شکل ۲ نمونه‌هایی از دی‌آمین‌ها و دی‌ال‌های رایج بعنوان زنجیره‌گستر را نشان می‌دهد.
در ساختار پلی‌یورتان‌های پایه آبی، پیوندهای کووالانسی مانند C–C ، C–N، O–H، N–H و C=O که از گروه‌های یورتان، هیدروکربن‌های آلیفاتیک یا آروماتیک، استرها، اترها، آمیدها و اوره بوجود می‌آیند، قوی‌ترین پیوندها هستند. انرژی لازم برای شکستن این پیوندهای کووالانسی تعیین‌کننده پایداری حرارتی و رفتار تخریب حرارتی پلی‌یورتان است. علاوه بر پیوندهای کووالانسی، پیوندهای ثانویه مانند پیوند هیدروژنی، نیروهای وان‌دروالسی و پیوندهای یونی نیز در پلی‌یورتان پایه آبی وجود دارند که مستقیماً بر خواص فیزیکی آن مانند درهم‌پذیری، حلالیت، ویسکوزیته و کشش سطحی تأثیر می‌گذارند. این پیوندهای ثانویه می‌توانند براحتی شکسته شده، دوباره تشکیل شوند و به سرعت بین حالت‌های جامد و مایع بازآرایی شوند. بنابراین، پلی‌یورتان پایه آبی قابلیت ترکیب با سایر پلیمرها در سطح مولکولی را دارد تا ویژگی‌های پیشرفته‌ای مانند حافظه‌شکلی، خودترمیمی و پاسخ‌دهی به محرک‌ها را به دست آورد.
به دلیل وجود هم‌زمان پیوندهای کووالانسی و پیوندهای ثانویه، الاستومرهای پلی‌یورتان پایه آبی ترکیبی از مناطق بلورین (crystalline) و آمورف (بی‌نظم) دارند که به آن‌ها حالت تفکیک‌شدگی ساختاری (Segmentation) گفته می‌شود. در این ساختار پلی‌ال‌ها بعنوان بخش نرم با دمای انتقال شیشه‌ای (Tg) پایین و ماهیت آمورف عمل کرده الاستیسیته ایجاد می‌کنند؛ دی‌ایزوسیانات‌ها و زنجیره‌گسترها بعنوان بخش سخت با Tg بالا و ویژگی بلورین عمل کرده و استحکام و سختی مکانیکی را تأمین می‌کنند. وجود گروه‌های قطبی با غلظت بالا و پیوندهای هیدروژنی بین بلوک‌های سخت و نرم، مسئول ایجاد ساختار مولکولی سه‌بعدی و خواص فیزیکی منحصر‌به‌فرد در الاستومرهای پلی‌یورتان پایه آبی است.
جمع‌بندی و چشم‌انداز آینده
همان‌طورکه عنوان شد، تنوع فرمولاسیون‌ها و خواص مکانیکی برتر پلی‌یورتان پایه آبی باعث شده تا این ماده در حوزه‌های مختلفی کاربرد گسترده‌ای پیدا کند. وجود گروه‌های عاملی مختلف مانند یورتان، هیدروکربن‌های آلیفاتیک، استرها، اترها و اوره در ساختار PU باعث می‌شود تا بتوان آن را به‌صورت شیمیایی یا فیزیکی با مواد دیگر ترکیب کرده و کامپوزیت‌هایی چندمنظوره تولید کرد.
علاوه بر ویژگی‌های پایداری، قابلیت تخریب‌پذیری و سازگاری با محیط‌زیست، پلی‌یورتان‌های پایه آبی امکان جدیدی را برای ساخت سامانه‌های کمپلکس کلوئیدی پلیمری عملکردی از طریق ترکیب با سایر کلوئیدها یا پلی‌الکترولیت‌ها فراهم می‌کنند. این ترکیب‌ها می‌توانند در فرآیندهایی مانند پوشش‌دهی، چاپ یا قالب‌گیری بصورت یک‌مرحله‌ای (one-pot) مورد استفاده قرار گیرند. ویژگی‌هایی مانند توپولوژی، مورفولوژی، شیمی سطح و خواص مکانیکی این کامپوزیت‌های کلوئیدی قابل تنظیم هستند و می‌توان آن‌ها را با تغییر نسبت یا نوع پلی‌الکترولیت‌ها کنترل کرد.
دسته بندی:
مقالات
از جدیدترین تخفیف ها و اطلاعیه ها بهره مند شوید.
خطا: فرم تماس پیدا نشد.
(در ساعات کاری)
