پلی یورتان پلیمری است که از واحدهای آلی متصل به پیوندهای کاربامات (یورتان) تشکیل شده است. اکثر پلیمرها گرما سخت (thermoset) هستند و هنگام گرم شدن ذوب نمی شوند، اما پلی یورتان ها در دو نوع گرما نرم (thermoplastic) و گرما سخت (thermoset) در دسترس هستند.

پلیمرهای پلی یورتان به طور متداول از واکنش یک دی- یا تری ایزوسیانات با یک پلی ال تشکیل می شوند. از آنجا که پلی یورتان ها حاوی دو نوع مونومر هستند که یکی پس از دیگری پلیمریزاسیون می شوند، آن ها به عنوان کوپلیمرهای متناوب طبقه بندی می شوند. ایزوسیانات ها و پلی ال های مورد استفاده در ساختن پلی یورتان ها به طور متوسط، دو یا چند گروه عاملی در هر مولکول دارند.

از پلی یورتان ها در ساخت صندلی های کفی با مقاومت بالا، پانل های عایق فوم سخت، پنل های عایق کاری، چرخ ها و لاستیک های الاستومری با دوام (مانند غلتک ، پله برقی ، سبد خرید ، آسانسور و چرخ های اسکیت بورد)، چسب های با کارایی بالا، پوشش ها و درزگیرهای سطح، الیاف مصنوعی (به عنوان مثال Spandex)، زیر لایه فرش، قطعات پلاستیکی سخت (به عنوان مثال برای ابزارهای الکترونیکی)، شیلنگ و غیره استفاده می شود.

تاریخچه

اتو بایر (Otto Bayer) و همکارانش در آلمان، برای اولین بار در سال 1937 پلی یورتان را کشف کردند. پلیمرهای جدید مزیت هایی نسبت به پلاستیک ­های موجود (که با پلیمرسازی الفین ها یا با پلیمریزاسیون تراکمی (polycondensation) ساخته شده اند) دارند. در ابتدا کاربرد پلی یور­تان ها به تولید الیاف و فوم های انعطاف پذیر و در مقیاس کم به عنوان پوشش هواپیما در طول جنگ جهانی دوم محدود بود. پلی ایزوسیانات ها در سال 1952 از نظر تجاری به بازار عرضه شدند و تولید فوم پلی یورتان انعطاف پذیر در سال 1954 با استفاده از تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و پلی ال های پلی استر آغاز شد. این مواد همچنین برای تولید فوم های سخت، چسب لاستیک و الاستومرها مورد استفاده قرار گرفته اند. فیبرهای خطی نیز از هگزامتیلن دی ایزوسیانات (HDI) و 1و4-بوتان دی ­ال (BDO) تولید شده اند.

علم شیمی

پلی یورتان در گروه ترکیباتی به نام پلیمرهای واکنشی قرار دارند که شامل اپوکسی ها، پلی استرهای اشباع نشده و فنولیک ها هستند. پلی یورتان با واکنش یک ایزوسیانات حاوی دو یا چند گروه ایزوسیانات در هر مولکول (R−(N=C=O)n) با یک پلی ال حاوی به طور متوسط دو یا چند گروه هیدروکسیل در هر مولکول (R′−(OH)n) در حضور کاتالیزور ساخته می شوند.

مواد خام

مواد اصلی تشکیل دهنده پلی یورتان­ شامل دی، تری- ایزوسیانات ها و پلی­ال ­ها هستند. سایر مواد جهت تسریع فرآیند پلیمریزاسیون و تغییر خواص پلی­ یورتان مورد استفاده قرار می گیرند.

ایزوسیانات ها

ایزوسیانات های مورد استفاده در ساختن پلی یورتان دارای دو یا چند گروه ایزوسیانات به ازای هر مولکول هستند. ایزوسیانات های متداول دی ایزوسیانات های آروماتیک، تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) و متیلن دی فنیل دی ایزوسیانات(MDI) هستند.

TDI  و MDI معمولاً نسبت به ایزوسیانات های دیگر ارزان تر و واکنش پذیرتر هستند.گرید صنعتی TDI و MDI ترکیبی از ایزومرهای این ایزوسیانات ها هستند و MDI اغلب حاوی مواد پلیمری است. از آن ها برای ساختن فوم های انعطاف پذیر (به عنوان مثال فوم مخصوص تشک یا فوم صندلی­های اتومبیل)، فوم سخت (به عنوان مثال عایق کف در یخچال)، الاستومرها (به عنوان مثال کف کفش) و غیره استفاده می شود.

ایزوسیانات ها مواد بسیار واکنش پذیری هستند که این امر باعث می شود آن ها در ساخت پلیمرها مفید باشند، اما استفاده و نگهداری از آنها نیاز به شرایط ویژ­ه ای دارد. ایزوسیانات های آروماتیک، متیلن دی ‌فنیل دی ‌ایزوسیانات (MDI) یا تولوئن دی ایزوسیانات (TDI) نسبت به ایزوسیانات های آلیفاتیک، مانند هگزامتیلن دی ایزوسیانات (HDI) یا ایزوفورون دی ایزوسیانات (IPDI) واکنش پذیرتر هستند. بیشتر ایزوسیانات ها دارای دو گروه عاملی (difunctional) در هر مولکول هستند. یک استثناء مهم در این مورد متیلن دی ‌فنیل دی ‌ایزوسیانات است که ترکیبی از مولکول ها با دو، سه، چهار و یا بیشتر گروه ایزوسیانات است. در مواردی مانند این، ماده دارای عملکرد متوسط بیشتر از دو، معمولاً 7/2 است.

ایزوسیانات های آلیفاتیک و سیکلوآلیفاتیک در موارد محدودی از جمله پوشش ها و کاربردهای دیگر که رنگ و شفافیت آنها مهم است، استفاده می شوند زیرا پلی یورتان های ساخته شده با ایزوسیانات های آروماتیک تمایل دارند در معرض نور تیره شوند.

مهمترین ایزوسیانات های آلیفاتیک و سیکلوآلیفاتیک  1،6- هگزامتیلن دی ایزوسیانات (HDI) ، 1- ایزوسیاناتو -3 ایزوسیاناتومتیل-3،5،5،5-تری متیل-سیکلو هگزان (ایزوفورون دی ایزوسیانات ، IPDI) ، و 4،4-دی ایزوسیانتو دی سی سیکلو هگزیل متان (H12MDI یا MDI هیدروژنه).

پلی ال ها

پلی ال ­ها (polyols) به زنجیرهای پلیمری اطلاق می شوند که دارای دو یا چند گروه هیدروکسیل (OH) می ­باشند. معمولا در تولید پلی یورتان ها از دو نوع پلی ال پلی استری و پلی اتری استفاده می شود. نوع پلی ال به کار رفته در پلی یورتان ها تعیین کننده خواص نهایی آنها می باشد. معمولا پلی ال های بکار رفته در تولید پلی یورتان ها دارای وزن مولکولی مابین ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ می ­باشند که بسته به خواص نهایی مورد انتظار از پلی یورتان، انتخاب می شوند.

پلی ال ها به خودی خود پلیمر هستند و به طور متوسط دو یا چند گروه هیدروکسیل در هر مولکول دارند. پلی ال پلی ­اترها  توسط کوپلیمریزاسیون (copolymerization) اتیلن اکسید و پروپیلن اکسید با یک آغازگر الکلی مناسب ساخته می شود. پلی ال های پلی استری مشابه پلیمرهای پلی استر ساخته می شوند. پلی ال های مورد استفاده در ساخت پلی یورتان ها مخلوطی از مولکول های مشابه با وزن های مولکولی مشخص هستند، به همین دلیل است که در مورد آن ها اغلب “عاملیت متوسط (average functionality)” ذکر می شود. با وجود اینکه پلی ال ها مخلوط های پیچیده ای هستند، پلی­ال های گرید صنعتی به خوبی در فرآیند تولید پلی یورتان ها کنترل می شوند. طول زنجیره پلی ال و عملکرد آن در خواص پلیمر نهایی تاثیر بسزایی دارد. پلی ال های مورد استفاده در ساختن پلی یورتان های سخت، دارای وزن مولکولی بالا هستند، در حالی که آنهایی که برای ساخت پلی یورتان های انعطاف­پذیر استفاده می شوند دارای وزن مولکولی ده هزار یا بیشتر هستند.

گسترنده های زنجیر و اتصال دهندگان عرضی(chain extenders and cross linkers)

ترکیبات دیگری که معمولا نقش مهمی در مورفولوژی پلی یورتان ها ایفا می کنند گسترنده های زنجیر (2= f) و اتصال­دهنده های عرضی (3≥ f) هستند. این ترکیبات معمولا ترکیبات هیدروکسیلی و آمینی با جرم مولکولی پایین هستند. آنهاا به طور موثری در بهبود مورفولوژی چسب ها، عایق ها، فیبرها و فوم های نازک و میکروسلولی پلی یورتان تاثیر دارند. ویژگی های الاستومری این ترکیبات از سطح مشترک کوپلیمرهای بخش های سخت و نرم بدست می آید. جدایش فاز به دلیل ناسازگاری و عدم قابلیت اختلاط (در حالیکه هر دو فاز آمورف باشند) بخش نرم (غیرقطبی- قابلیت ذوب پایین) و بخش سخت (قابلیت ذوب بالا) اتفاق می افتد، بنابراین کریستاله شدن تاثیری روی جدایش فاز ندارد.

به طور کلی بخش های سخت از ایزوسیانات و گسترنده های زنجیر تشکیل شده اند و ساکن و سخت هستند در حالیکه بخش های نرم از پلی­ال ها (با جرم مولکولی بالا) تشکیل شده اند و می توانند آزادانه حرکت کنند.

اتصالات کووالانسی بین بخش های سخت و نرم منجر به مهار جریان پلاستیک در زنجیره های پلیمری می شود و در نتیجه انعطاف پذیری الاستومری ایجاد می شود. تغییر شکل مکانیکی این ترکیبات سبب اعمال نیروی تنشی به قسمت های خاصی از بخش های سخت شده و باعث جهت­گیری بخش های نرم در جهت اعمال تنش می شود. تغییر جهت بخش های سخت با پیوندهای هیدروژنی قوی همراه است که خواص کششی خوب، مقاومت در برابر پارگی و مقاومت کششی بالا ایجاد می کند.

انتخاب مناسب گسترنده­ی زنجیر همچنین می تواند در مقاومت حرارتی، شیمیایی و خواص انعطافی پلی یورتان ها موثر باشد. برخی از معمول ترین گسترنده های زنجیر مورد استفاده در سنتز پلی یورتان ها شامل 1و4-بوتان د­ی ال، دی متانول سیکلوهگزان، اتیلن گلایکول و هگزان دی ال هستند.

 

کاتالیزورها

کاتالیست هایی که معمولا در تولید پلی­یورتان ها مورد استفاده قرار می­گیرند به دو دسته­ی کلی تقسیم می شوند: 1- ترکیبات فلزی 2- ترکیبات آمینی

کاتالیست های آمینی معمولا آمین های نوع سوم مانند دی متیل سیکلو هگزیل آمین، دی متیل اتانول آمین و تری اتیلن دی­آمین هستند. انتخاب کاتالیست های آمینی نوع سوم به توانایی آن ها در هدایت واکنش های اوره و یورتان یا واکنش­های انتهایی ایزوسیانات با آب و سایر مواد بستگی دارد.

ترکیبات فلزی پیچیده­ فلزاتی مانند بیسموت، سرب، روی، قلع و جیوه نیز به عنوان کاتالیست در سنتز پلی­یورتان ها استفاده می شوند. جهت تولید عایق های فلزی، پوشش ها و الاستومرها، کربوکسیلات های جیوه­ای بسیار موثر واقع شده اند زیرا خاصیت انتخابی نسبت به واکنش پلی­ال ها با ایزوسیانات ها دارد. اما به دلیل بالا بودن سمیت­ آنها، کربوکسیلات های روی و بیسموت جایگزین آن شده اند. در فرآیندهای مختلف از کربوکسیلات­ها، مرکاپتیدها و اکسیدهای قلع نیز استفاده می شوند. به خصوص در فرمولاسیون های شامل آب معمولا از مرکاپتیدهای قلع به جای کربوکسیلات های آن استفاده می شود زیرا به صورت نامطلوب هیدرولیز می شوند.

سورفکتانت ها

از سورفکتانت ها برای اصلاح ویژگی های پلیمرهای پلی یورتان فوم و غیر فوم استفاده می شود. آنها به شکل کوپلیمرهای قطعه­ای پلی متیل سیلوکسان-پلی­اکسی آلکیلن، روغن های سیلیکون، اتیوکسیلات های غیر فنلی و سایر ترکیبات آلی هستند. در فوم ها از آنها برای امولسیون­سازی اجزای مایع، تنظیم اندازه سلول و تثبیت ساختار سلولی برای جلوگیری از ریزش و حفره های زیر سطح استفاده می­شوند.

در کاربردهای غیراز فوم از آنها به عنوان رها کننده هوا و ضد کف استفاده می­شود، همچنین به عنوان عامل مرطوب کننده برای از بین بردن نقایص سطحی مانند سوراخ های پین، پوست پرتقالی شدن مورد استفاده قرار می­گیرد.