پلی اورتان پرکاربرد ترین پلاستک در جهان

پلی اورتان پرکاربرد ترین پلاستک در جهان

پلی اورتان یکی از شش ماده ی مصنوعی امیدوار کننده در جهان است که به دلیل عملکرد عالی این محصول و حوزه ی کاربرد گسترده و امید به اختراع موادی جدید بر پایه ی آن، بسیار مورد توجه و علاقه ی دانشمندان و صنعتگران صنایع مختلف قرار گرفته است .

پلی اورتان به عنوان پنجمین ماده ی مصنوعی و پرکاردترین پلاستیک جهان شناخته می شود و در صنعت مدرن به عنوان ماده ی آلی پلیمری، مورد استفاده قرار میگیرد . پلی اورتان در مقایسه با سایر مواد پلاستیکی شبیه  به خود، عملکرد بسیار بهتری از خود نشان میدهد و به همین دلیل در زندگی روزمره ما به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرد و در ساخت و ساز ساختمان، متالوژی ،ساخت اتوموبیل، صنایع سبک، انرژی، تجهیزات دفاعی و کشتی ها کاربرد بسیاری دارد .

می توانید در این مقاله راجع به موارد زیر اطلاعات مفیدی کسب کنید :

• اطلاعات ابتدایی در خصوص پلی اورتان
• تارخچه پلی اورتان
• مواد تشکیل دهنده پلی اورتان
• شاخه های اصلی محصولات پلی اورتان و بعضی از کاربرد های آنها
• چسب پلی اورتان
• پوشش های پلی اورتان یک جزئی و دو جزئی
• فوم سخت، پرکاربردترین ماده بر پایه ی پلی اورتان
• فوم نیمه سخت پلی اورتان و کاربرد آن در صنعت خودرو سازی
• کاربرد فوم نرم پلی اورتان
• الاستومر پلی اورتان و کاربرد دوغاب پلی اورتان در تولید چرم مصنوعی
• اسپندکس، مثالی برای استفاده از پلی اورتان در صنعت نساجی
• استفاده از پلی اورتان در ساختمان
• دلایل استفاده از پلی اورتان به عنوان کفپوش
• مقاومت عایق های پلی اورتان در برابر آلاینده ها، باکتری، رطوبت و مواد شیمیایی

  با ما همراه باشید .

اطلاعات ابتدایی در خصوص پلی اورتان

در هنگام مطالعه ی متن حاضر، این نکته را در نظر داشته باشید که پلی یورتان و پلی اورتان تفاوت مختصری در ساختار مولکولی خود دارند که در این مقاله از این موضوع چشم پوشی شده است و کاربرد های بیان شده در این مقاله برای هر دو ماده یکسان است .  

در ادامه به بیان تاریخچه و مواد تشکیل دهنده ی پلی یورتان می پردازیم .

تاریخچه پلی اورتان

 پروفسور “اتو بایر “بنیان گذار و مخترع پلی اورتان است . پلی اورتان در سال 1937 در آلمان و توسط او با استفاده از روش سنتز کشف شد و بدون کمک شایان توجه او در اختراع این ماده، توسعه ی صنعت به شکلی که امروزه شاهد آن هستیم، امکان پذیر نبود و اختراع پلی اورتان راه را برای استفاده ی بیشتر از مواد پلاستیکی با خواص فوق العاده باز کرد .

پلی اورتان تقریبا هشتاد سال است که اختراع شده است . پس از پایان جنگ جهانی دوم، انگلستان و ایالات متحده ی آمریکا هم به روش ساخت آن دسترسی پیدا کردند . علیرغم اختراع پلی اورتان در آلمان، ایالت متحده بود که باعث ایجاد تحقیقات در این زمینه و معرفی آن به جهانیان به عنوان یک ماده با خواص و کارایی فوق العاده شد . در اوایل دهه ی 1950 ایالت متحده، در ایجاد ترکیباتی بر پایه ی پلی اورتان و ایجاد کارایی جدید از آن، پیشگام بود .

آنها با ترکیب پلی اورتان، اتیلن اکسید، کوپلیمر اتر و تولوئن دی ایزوسیانات، پلاستیک فوم نرم را اختراع کردند که این کار، یک اختراع بزرگ و نقطه عطف مهم برای توسعه ی صنعت پلی اورتان در جهان بود .

شرکت های آلمانی در ابتدا از مواد اولیه ی مصنوعی استفاده میکردند که به دلیل هزینه ی بالای تولید، برای بسیاری از موارد مناسب نبود، اما پس از اختراع فوم نرم، هزینه ی تولید پلی اورتان کاهش چشمگیری پیدا کرد و این امر تاثیر به سزایی در صنعتی شدن استفاده از پلی اورتان و توسعه ی آن مابین سالهای 1950 تا 1960 شد . سه کشور ایالات متحده ی آمریکا و انگلستان و آلمان در این توسعه نقش بسیار مهمی ایفا کردند . آنها در ابتدا با استفاده از پلی یورتان و پلی اتیلن پلی استر، روغن کرچک و چسب مصنوعی پلی اتر پلیول تولید کردند .

ترکیب NDI، لاستیک ،ریخته گری مایع پلی اورتان (CPU)، فناوری فوم پلی اورتان سفت و سخت، پلی  استر و فیبر قابل انعطاف پلی یورتان و لایکرا جزء مواردی بودند که به سرعت و در همان اوایل کار اختراع شدند .

پس از اواسط دهه 1960 صنعت پلی اورتان با سرعت زیادی پیشرفت کرد و به طور گسترده در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گرفت . در اواسط دهه ی 1980 میلادی، مصرف پلی یورتان در جهان به چهارمیلیون تن در هر ساعت رسیده بود و تا دهه ی 1990 مصرف پلی یورتان دوبرابر شد . با گذشت زمان همچنان مصرف پلی اورتان در جهان رو به افزایش است .

مواد تشکیل دهنده پلی اورتان

پلی اورتان (PU) از پلی ایزوسیانات (OCN-R-NCO)، تولوئن دی ایزوسیانات (TDI)، دی فنیل متان دی ایزوسیانات (MDI)، اکریلیک (AA)T، ترکیب پلی هیدروکسی (HO-R-OH) و چند ماده ی آلی ساخته شده و در اثر کثرت ترکیبات ماکرومولکولی –  NHCOO و تکرار آن در در زنجیره اصلی ایجاد شده است . از آنجا که زنجیره ی مولکولی پلی یورتان دارای یک گروه کاربامات است، پلی اورتان دارای قطبیت شدیدیست و در یک قطب حلال، نامحلول است .

مواد اولیه پلی یورتان شامل موارد زیر است :

• ایزوسیانات
• پلی استر پلیول
• پلی اتر پلیول (PPG ، POP ، PTMEG)
• حلال(DMF ، TOL ، MEK)
• بسط دهنده زنجیره ای (BDO)

شاخه های اصلی محصولات پلی اورتان و بعضی از کاربرد های آنها

تمامی مجصولات پلی یورتان دارای مقاومت عالی در برابر عوامل مختلف هستند و خاصیت ضد فرسودگی دارند و با استفاده از مواد اولیه و ترکیبات مختلف شاهد محصولاتی با خواص مختلف خواهیم بود که در ادامه به معرفی برخی از آنها می پردازیم :

چسب پلی اورتان

یکی دیگر از کاربردهای پلی یورتان، استفاده از آن برای ساختن چسب مخصوصیست که به صمغ اولیدا نیز معروف است . چسب های پلی اورتان دارای دو گروه مولکولی NHCOO و گروه های NCO هستند و به همین دلیل میتوان چسب های پلی یورتان را به دو گروه پلی ایزوسیانات و پلی یورتان تقسیم کرد . چسب های پلی یورتان حاوی NCO و ایزوسیانو حاوی یک گروه کاربامات NH-COO هستند که به دلیل خاصیت چسبندگی بالا، در صنایع شیشه، پلاستیک، لاستیک، چوب و سایر موادی در ساختار مولکولی دارای اتم هیدروژن هستند، کاربرد فراوان از جمله در آب بندی نمای ساختمان دارند .

در آب بندی شیشه و کامپوزیت نمای ساختمان از چسب های پلی اورتان استفاده می شود .

پوشش های پلی اورتان یک جزئی و دو جزئی

پوشش پلی یورتان را می توان به دو حالت یک جزئی و دوجزئی تقسیم کرد . پلی یورتان دو جزئی معمولا از یک پوشش اورتانCOMPONENT  با وزن مولکولی کم، پلیمر (که معمولا به عنوان یک ماده ی عامل پخت از آن یاد میشود ) و یک رزین حاوی هیدروکسیل به عنوان جز اصلی، ساخته می شود که یک نوع پوشش عالی است و توانایی توسعه بالایی دارد . از پوشش های پلی یورتان برای تعمیر مخازن بزرگ استفاده میشود و دارای خاصیت بالای ضد نشت هستند . قابل ذکر است که عملکرد پوشش های دو جزئی به خوبی یک جزئی نیست، به همین دلیل دامنه ی گستردگی استفاده از هردو پوشش به یک میزان نیست و پوشش تک جز بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد .

فوم سخت، پرکاربردترین ماده بر پایه ی پلی اورتان

فوم پلی یورتان از ویژگی های عایق بندی عالی برخوردار است، بنابراین بیشتر تجهیزات برودتی (یخچال ، سردخانه وکامیون های یخچال دار) مجهز به فوم سخت هستند، همینطور به علت خواص عایق حرارتی ای که دارند، برای سقف اتوموبیل و در صنعت برق به طور گسترده مورد استفاده قرار میگیرند .

برای ساختن فوم سخت، از دو ماده به نام های ایزوسیانات و پلی ال به عنوان مواد اولیه ی فوم سخت پلی یورتان استفاده می شود . واکنش بین این دو ماده منجر به تشکیل فوم سخت میشود به همین دلیل آنها را در دو محفظه ی جداگانه و دو مخزن مجهز به شیر کنترل و پمپ نگه داری میکنند تا در زمان معین با فشار و نسبت قابل کنترل و با استفاده از دستگاه مخصوص به محل مورد نظر تزریق شوند . واکنش این دو ماده منجر به تولید کف با خاصیت انبساط بالایی شده که می تواند تمام منافذ و سوراخ ها را پر کند و منجر به پر شدن فضای مورد نظر شود . 

این عایق ها سطحی یکپارچه و بدون درز ایجاد می کنند که در برابر عوامل مختلف بسیار مقاوم می باشند.

موارد زیر از نکات مهم در استفاده از فوم های سخت پلی یورتان می باشد .

• میزان سفتی و یا نرمی فوم پلی یورتان به نسبت وزنی ایزوسیانات به پلی ال وابسته است. اگر مقدار ایزوسیانات بالاتر باشد، فوم سفت می شود و اگر این مقدار کمتر از پلی ال باشد، فوم نرم تر خواهد شد.
• هنگام استفاده از این عایق باید از پوشش های ایمنی استفاده شود زیرا گازی که حین کار با این فوم ها در فضا پخش می شود، سلامتی انسان را به خطر می اندازد.
• چرخه بازیافت و بازگشت فوم پلی یورتان به طبیعت بسیار طولانی است و در واقع جزء مواد تجزیه ناپذیر به شمار می آید.
• این فوم برای مکان هایی که نیاز به بازسازی و یا تعمیر ندارند مورد استفاده قرار می گیرد، زیرا در صورت چسبیدن به سطح دیگر نمی توان آن را جدا نموده و یا پاک کرد.

پلی اورتان نیمه سخت و صنایع خودروسازی

از پلی یورتان نیمه سخت معمولا در صنایع خودروسازی برای تولید سپر، فرمان اتومبیل، باربند و روکش های داخلی خودرو استفاده می شود . ظرفیت جذب شوک عالی و عکس العمل مناسب در برابر شوک، موجب استفاده ی گسترده از پلی یورتان در صنعت خودرو شده است .

محصولات پلی یورتان نیمه سخت دارای بافت های متفاوتی هستند و میزان سفتی و نرمی آن قابل کنترل است و به دلیل خاصیت ارتجاعی خوب، نرمی، پایداری شیمیایی و عملکرد آدیاباتیک به عنوان مواد بالشتکی ( موادی که خاصیت ارتجاعی بالا دارند) هم  مورد استفاده قرار میگیرد .

کاربرد فوم نرم پلی اورتان

از کف نرم پلی یورتان به طور گسترده در عایق بندی صوتی محیط، از جمله در عایق صوتی پارچه ی کامپوزیت و همینطور به عنوان پوششی به روی حصیر و حتی برای تهیه ی پنبه مصنوعی استفاده میشود .

الاستومر پلی اورتان و کاربرد دوغاب پلی یورتان در تولید چرم مصنوعی

الاستومرهای پلی یورتان به سه دسته ی کلی طبقه بندی می شوند:

•  الاستومر پلی یورتان ریخته گری (CPU)
•  الاستومر پلی یورتان ترموپلاستیک (TPU)
•  الاستومر پلی یورتان خمیر (MPU)

استفاده از الاستومرهای پلی یورتان در رنگ سازی، چسب، تسمه های نقاله و شلنگ بسیار گسترده است . از الاستومر های پلی یورتان در ساخت اندامهای مصنوعی پزشکی، خودرو سازی، عایق بندی  و بسته بندی استفاده می شود و نقشی حیاتی ای در صنایع معدن و متالوژی دارند .  رنگ متشکل از پلی یورتان می تواند برای محافظت از یکپارچگی چوب و فلز موثر باشد .

دوغاب پلی یورتان از زیر مجموعه های الاستومر ها می باشد و به دو دسته ی دوغاب پلی اورتان مرطوب و دوغاب پلی یورتان خشک تقسیم می شود . چرم مصنوعی را با دوغاب پلی اورتان سنتز میکنند . از الاستومرهای میکرو متخلخل پلی یورتان چرمی می سازند که دارای خاصیت ضد فرسایشی است و بسیار نرم و راحت است و نسبت به چرم طبیعی قیمت کمتری دارد، به علاوه دارای رنگی طبیعی و محکم است و به دلیل خاصیت تنفس و مقاومت بالا در برابر سایش و سرما بسیار کاربردی هستند .

اسپندکس، مثالی برای استفاده از پلی اورتان در صنعت نساجی

 اسپندکس ،لاکرا یا الاستان یک فیبر مصنوعی است که به خاطر خاصیت کشش استثنایی آن شناخته شده‌است.  کلمه اکسپندس به معنی کشسان است، جوزف سی شیرز مخترع اسپندکس مصمم بود که فیبری را برای جایگزینی لاستیک در لباس‌ها پیدا کند . او در اوایل دهه ۱۹۵۰ از مواد اسپندکس برای اصلاح پلی استر داکرون استفاده کرد . این اصلاح باعث ایجاد یک فیبر کششی شد که می‌توانست در دماهای بالا مقاومت کند . پس از تقریباً یک دهه تحقیق، ساخت فیبر مورد نظر در سال ۱۹۵۹ تکمیل شد . ابتدا فیبرکوچک نامیده شد، و سپس  نام تجاری لاکرا را برایش انتخاب کردند تا برند اسپندکس فیبر را توسعه دهند .

Spandex از انعطاف پذیری بسیار بالایی برخوردار است (انعطاف پذیری زیاد اسفنج در حال حاضر بهترین در بین فیبرهای الاستیک است) مقاومت در برابر پارگی، مقاومت در برابر اشعه ماورا بنفش، مقاومت شیمیایی، شست و شو و قابلت رنگ پذیری بالایی دارد . از آنجا که اسپندکس از مزایای بسیاری برخوردار است، بنابراین اکنون به طور گسترده ای در تولید مواد نساجی استفاده می شود . کشش و قدرت (تا پنج برابر طول آن) موجب شده تا از اسپندکس در طیف گسترده‌ای از لباس‌ها، به ویژه در لباس‌های چسب بدن، مورد استفاده قرار گرفته‌ گیرد . مزیت اسپندکس قدرت و انعطاف‌پذیری قابل توجه آن است و توانایی منحصر به فرد آن سبب می‌شود تا پس از کشش و خشک شدن سریع تر از پارچه‌های معمولی به شکل اولیه بازگردد .

لباس‌هایی که اسپندکس در آن به کار رفته معمولاً با پنبه یا پلی استر ترکیب می‌شود و پلی یورتان ، تنها درصد کوچکی از پارچه نهایی محسوب می‌شود، که در نتیجه بیشتر خاصیت و احساس الیاف دیگر را حفظ می‌کند.  لباس های غواصی و دوچرخه سواری از جنس اسپندکس هستند .

استفاده از پلی اورتان در ساختمان

کاربرد محصولات پلی اورتان بسیار گسترده می باشد و در این مقاله تنها به گوشه ای از کاربرد های این مواد می پردازیم .

قبل از صحبت راجع به استفاده از پوشش های پلی یورتان در ساختمان لازم است که راجع به یک واکنش گرمازا که اغلب در ساختمان با آن مواجه هستیم صحبت کنیم .

Continuous Glowing یک واکنش گرمازاست که اغلب در پارامترهای ساختمان با آن مواجه هستیم . در هنگام انجام واکنشهایی که به تولید گرما منجر می شوند، افزایش دمای درون ماده ای به دلیل الکتریسیته ساکنی که در این مواد وجود دارد، منجر به ایجاد جرقه و ایجاد شعله و در نهایت آتش سوزی میشود . واکنش گرمازا میتواند حتی در عایق های دیگر نفوذ کرده و با گذشت چند ساعت منجر به وقوع آتش سوزی شود .

از عایق ها معمولا در فضاهای مسطح و برای عایق کردن تاسیسات استفاده می شود . فرض کنید مواد عایق به خودی خود عاملی برای افزایش شدت آتش سوزی باشند . نکته جالب ماجرا اینجاست  که ماده ی عایق مورد استفاده هم در برابر اثر Continuous Glowing نمیتواند وظیفه ی عایق کردن و محافطت از ماده را به درستی  انجام دهد و به همین دلیل گاها خود مواد پوششی عایق، تبدیل به منبعی برای احتراق شده و آتش به طور گسترده پخش می شود و آتش سوزی هولناکی صورت میگیرد  . استفاده از عایق های پلی اورتان میتواند انتقال حرارت را به طور چشمگیری کاهش دهد .

یکی از موارد تفاوت پلی اورتان با  عایق های مشابه این است که عایق هایی از چنس پلی اورتان با ضخامت کمتر، کارایی بالاتری در انتقال حرارت از خود نشان میدهند به عبارت دیگر، یک سانتی متر عایق پلی اورتان بسیار کارایی بالاتری نسبت به عایق های هم رده خود با ضخامت های بیشتر دارد و این نکته برای عایق بندی و پوشش سازه های مختلف ساختمان برای ما بسیار کاربردی و مهم تلقی می شود .

دلایل استفاده از پلی اورتان به عنوان کفپوش

عایق پلی یورتان، تراکمی بین ۳۰ تا ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب دارد و علی رغم وزن کم میتواند فشار مکانیکی بسیار زیادی را تحمل کند تا جایی که میتوان حتی تراکم فوم سخت پلی اورتان را نسبت به خواسته و مورد کاربردی  تا700  کیلوگرم بر متر مکعب افزایش داد .

یکی از خواص منحصر به فرد و بسیار کاربردی پلی اورتان که برای عایق های پوششی ساختمان، مقاومت فشاری و تنش فشاری در برابر تغییر شکل است . به همین دلیل از پلی اورتان در کفپوش ها و سطوحی که در معرض تردد مداوم قرار دارند، استفاده میشود .

برخورداری عایق پلی اورتان از خواص مکانیکی مناسب در  سطوح سازه ای مانند  پشت بام  و سقف که در معرض تنشهای مکانیکی ناشی از تغییرات دمایی سازه و بارهای وارده خارجی هستند، بسیار حائز اهمیت است، زیرا عدم برخورداری عایق از خواص تنش پذیری بالا موجب ایجاد ترک و درز در عایق شده و عملا خواص مورد نظر در عایق را بشدت کاهش می دهد . از سوی دیگر اطمینان از طراحی مناسب سازه که تنش های غیر متعارف را به عایق تحمیل نمی نماید، نیز در فرآیند عایق کاری سازه حائز اهمیت فوق العاده ای می باشد .

مقاومت عایق های پلی اورتان در برابر آلاینده ها، باکتری، رطوبت و مواد شیمیایی

عایق های پلی اورتان (PUR/PIR) پایین ترین ضرایب انتقال هوای آلوده به داخل ساختمان را در میان تمام عایق های موجود در بازار (اعم از ارگانیک، معدنی و طبیعی) دارد. از این رو ، عایق پلی یورتان به صورت سیستماتیک به بهترین راهکار عایق کاری داخل ساختمان نیز تبدیل شده است .

ساختار مولکولی پلی یورتان به گونه است که محل مناسبی برای حشرات و رشد باکتری ها نمیباشد لذا پلی اورتان ازین لحاظ به مواد مناسبی برای استفاده در بیمارستان ها، کلینیک ها و مکان های بهداشتی تبدیل شده است .

نفوذ آب و رطوبت در بسیاری عایق ها می تواند منجر به هدایت گرمایی شود . برای مثال وجود یک درصد رطوبت در واحد حجم، هدایت گرمایی بعضی مواد را به طور قابل ملاحضه ای افزایش داده و این عمل منجر به انتقال حرارات خواهد شد . در عایق های پلی یورتان، به سبب ساختار سلولی متراکم پلی اورتان، این عایق پوششی آب را جذب نمیکند و جذب مویینگی ندارد به همین خاطر منجر به افزایش انتقال حرارت نخواهد شد .

قابلیت عایق پلی یورتان در مقاومت در برابر آب و نیز توانایی آن در بازگشت سریع به شرایط اولیه پس از قرار گرفتن در معرض رطوبت شدید، این عایق را به یک انتخاب مطلوب برای محافظت از ساختمان ها در مقابل سیلاب ها تبدیل کرده است .

تداخل شیمیایی بین عایق و ماده ی شیمیایی خارجی در بسیاری از عایق ها، موجب کاهش چشمگیر خواص عایق شده و در نتیجه عایق کارایی خود را از دست میدهد . عایق های پلی اورتان در برابر حلال های شیمیایی، قیر، محصولات پوششی دیگر و ترکیبات آب بندی، فیلم های درزگیری، انواع سوخت و روغن ها، اسیدهای رقیق و بازها و گازهای خروجی ناشی از تاسیسات صنعتی مقاوم است و استفاده از چسب به روی پوشش پلی اورتان منجر به تداخل شیمیایی نمی شود . 

عایق های پوششی پلی اورتان فاسد نمی شوند، در برابر رطوبت و پوسیدگی مقاومت می کنند و هیچ بویی ندارد، به همین دلیل به ماده ای پرمصرف در صنعت ساختمان تبدیل شده اند .