گروهی از مواد پلیمری مصنوعی معروف به پلی اورتان ها هستند که در واقع با بسیاری از پلاستیک های دیگر متفاوت است زیرا هیچ مونومر اورتان وجود ندارد و پلیمر تقریباً بطور نامرئی در طول ساختن یک جسم خاص ایجاد می شود.
این مواد پلیمرهای خطی هستند که دارای ستون فقرات مولکولی حاوی گروه های کاربامات (-NHCO۲) هستند. این گروه ها که اورتان نامیده می شوند از طریق واکنش شیمیایی بین دی ایزوسیانات و پلی ال تولید می شوند. به شکل مایعی ویسکوز و بی رنگ تا زرد تیره وجود دارد و شماره CAS آن ۰-۴۳-۶۷۷۰۰ می باشد.
اولین بار در اواخر دهه ۱۹۳۰، پلی اورتان ها به عنوان دسته از پلیمرهای مصنوعی ساخته شدند. آنها در عایق کاری ساختمان، پوشش های سطح، چسب، پلاستیک جامد و پوشاک ورزشی استفاده می شوند. این مواد که دارای کاربردهای تجاری مهمی هستند، معمولاً شامل گروه های کاربردی دیگری در مولکول از جمله استرها، استرها، آمیدها یا گروه های اوره هستند.
تاریخچه کشف پلی اورتان
شیمی پلی اورتان، نخستین بار در سال ۱۹۳۷ میلادی توسط شیمیدان آلمانی، فردریش بایر مورد مطالعه قرار گرفت. در نتیجه آن یکی از اولین الیاف بلوری پلی اورتان به نام Perlon U ساخته شد.
توسعه پلی اورتان های الاستیک به عنوان برنامه ای برای یافتن جایگزینی برای لاستیک در روزهای جنگ جهانی دوم آغاز شد. در سال ۱۹۴۰، اولین الاستومرهای پلی اورتان، تولید شد. این ترکیبات صمغ های آسیاب شده ای را ارائه می دهند که می توانند به عنوان جایگزین مناسبی برای لاستیک استفاده شوند.
هنگامی که دانشمندان دریافتند که پلی اورتان ها می توانند به صورت نخ های خیلی باریک ساخته شوند، آنها را برای تهیه پوشاک سبک با نایلون ترکیب شدند. در سال ۱۹۵۳، اولین تولید تجاری فوم پلی اورتان، انعطاف پذیر در ایالات متحده آغاز شد. این ماده برای عایق کف مفید بود. در سال ۱۹۵۶ فوم های انعطاف پذیر و کم هزینه تر معرفی شدند.
در اواخر دهه ۵۰، پلی اورتان قابل قالب سازی تولید شد. با گذشت سال ها، پلیمرهای پلی اورتان بهبود یافته از جمله الیاف Spandex، پوشش های این ماده و الاستومرهای گرمانرم ساخته شده اند.
فرایند تولید پلی اورتان
از آنجا که پلی اورتان، از واکنش بین ایزوسیانات و پلی ال ساخته می شود، این بخش به سه بخش تقسیم می شود:
الف) تولید ایزوسیانات ها
ب) تولید پلی ال ها
ج) تولید پلی اورتان
(الف) تولید ایزوسیانات ها
اگرچه بسیاری از پلی آموسیانات های معطر و آلیفاتیک وجود دارند اما دو مورد از آنها از اهمیت ویژه صنعتی برخوردار هستند. هر یک از آنها انواع مختلفی دارند و در کنار هم تقریبا ۹۵ درصد کل پلی اورتان، را تشکیل می دهند. آن ها، TDI (تولوئن دییزوسیانات یا متیل بنزن دییزوسیانات) و MDI (متیلن دیفنیل دییزوسیانات یا دیزوسیانات دی فنیل متیان) هستند.
(ب) تولید پلی ال ها
پلی ال های مورد استفاده یا پلیمرهای پایان یافته با هیدروکسیل (در حدود ۹۰٪ کل تولید پلی اورتان نهایی) یا پلی استرهای هیدروکسیل پایان یافته هستند. آنها به گونه ای ساخته شده اند که دارای واکنش پذیری لازم با ایزوسیانات مورد استفاده و تولید پلی اورتان، با خواص ویژه باشند.
انتخاب پلی ال، به ویژه تعداد گروه های واکنش دهنده هیدروکسیل در هر مولکول پلی ال و اندازه و انعطاف پذیری ساختار مولکولی آن، در نهایت میزان ارتباط متقابل بین مولکول ها را کنترل می کند. این موضوع تأثیر مهمی در خواص مکانیکی پلیمر دارد.
ج) تولید پلی اورتان
اگر پلی ال دارای دو گروه هیدروکسیل باشد و با TDI یا MDI مخلوط شود، یک پلیمر خطی تولید می شود. به عنوان مثال، یک پلی اورتان خطی با واکنش با دی ایزوسیانات تولید می شود و ساده ترین دیول، اتان -۱،۲-دیول، پلیمریزاسیون چگالشی اتفاق می افتد:
یک نوع از پلی اورتان بسیار پرکاربرد از TDI و یک پلی ال مشتق شده از اپوکسی پروپان ساخته شده است:
اگر پلی ال بیش از دو گروه هیدروکسیل واکنشی داشته باشد، مولکول های زنجیره بلند در مجاورت نقاط واسطه متصل می شوند.این crosslinks ها یک ساختار پلیمری سخت تر را با خصوصیات مکانیکی بهبود یافته ایجاد می کنند که در توسعه پلی اورتان های سفت و سخت استفاده می شود.
بنابراین یک دی ایزوسیانات، مانند MDI یا TDI که با یک پلی ال با سه گروه هیدروکسیل واکنش نشان می دهد، مانند گروهی که از پروپان-۱،۲،۳-تریول و اپوکسی اتیان حاصل می شود، تحت اتصال متقابل قرار می گیرد و یک پلیمر حرارتی سفت و سخت تشکیل می دهد.
البته پلی اتیوسیانات ها و پلی ال ها، برای ساختن پلی اورتان ها به مواد شیمیایی دیگری مانند کاتالیست، سورفکتانت، کراس لینکرها، فیلتر و غیره نیز نیاز دارند تا بتواند واکنش های تشکیل دهنده پلی اورتان، را کنترل کرده و دقیقاً خواص مناسب را در محصول نهایی ایجاد کند.
مصارف صنعتی پلی اورتان
خصوصیات فیزیکی و همچنین ساختار شیمیایی یک پلی اورتان به ساختار واکنش دهنده های اصلی به ویژه گروه های R1 و R2 بستگی دارد. خصوصیات پلی ال ها، جرم مولکولی نسبی، تعداد گروه های عملکردی واکنشی در هر مولکول و ساختار مولکولی بر خواص پلیمر نهایی و نحوه استفاده از آن تأثیر می گذارد.
بین ساخت اکثر پلی اورتان ها و ساخت بسیاری از پلاستیک های دیگر تفاوت اساسی وجود دارد. پلیمرهایی مانند پلی اتیان و پلی پروپن در صفحات صنعتی شیمیایی تولید می شوند و به صورت گرانول، پودر یا فیلم به فروش می رسند.
پس از آن محصولات از طریق گرم کردن پلیمر، شکل دادن به آن با تحت فشار قرار دادن و خنک کردن ساخته می شوند. خواص چنین محصولات نهایی تقریباً کاملاً به خواص پلیمر اصلی بستگی دارد.
از طرف دیگر پلی اورتان ها معمولاً به طور مستقیم در محصول نهایی ساخته می شوند. بخش عمده ای از پلی اورتان های تولید شده به شکل بلوک های بزرگ فوم هستند که برای استفاده در کوسن ها یا عایق حرارتی ببه کار برده می شوند.
پلی اورتان، به دلیل خواص قدرت استحکام بالا در مواد تولید کننده سپر اتومبیل، محفظه رایانه یا پانل ساختمان استفاده می شوند. یکی از متداول ترین مواد برای عایق کاری و همچنین پوشش های چوبی است. ویژگی مقاومت در برابر سایش آن می تواند دلیل کاربرد آن به عنوان پوشش باشد که می تواند از طریق اسپری شدن آن بر روی یک سطح ساختمان یا روی پارچه به برده شود.
انعطاف پذیری و زیست سازگاری آن موجب کاربردش در تولید دریچه های قلبی مصنوعی می شود. در تجهیزات الکتریکی مانند عایق های الکتریکی به دلیل سختی آن استفاده می گردد.
سمیت پلی اورتان
دانشمندان دریافته اند که پلی اورتان حاوی ایزوسیانات ها است، ترکیبی که به طور بالقوه می تواند به ریه های شما آسیب برساند. قرار گرفتن در معرض این محصول می تواند باعث ایجاد لیست طولانی از عوارض جانبی از جمله حملات آسم و تحریک ریه شود.