پلی اورتانها، رزین های پراکنشی پلی اورتانی و ...

کاربرد پلی یورتانها، پلی اوره ها و پراکنش های پلی یورتانی و سایر ترکیباتی شرکت کننده در واکنشهای آنها پیوسته در حال گسترش است و در این باب مقالات و گزارش های متعدی منتشر می شود. زمینه های کاربردی این ترکیبات نیز به طور پیوسته رو به توسعه است.



این مقاله نگاهی گذرا به فناوری های گذشته و فنون جدید داشته و در ارتباط با چگونگی ساخت ترکیبات پلی یورتان نیز مواردی ارائه می شود.آمیختن پلی یورتانها با پلی اوره امری متداول است و روندی رو به رشد دارد. به منظور بهبودی و اصلاح سامانه های پلی یورتانی و ارتقای خواص آنها به خواص آنها به چند فرایند شیمیایی نو اشاره می شود. همچنین، سامانه های واکنش دهنده تند و کند همراه با موارد کاربرد آنها برای پوششهای ویژه ساختارهای فولادی، کفپوشها و سایر سطوح کار بررسی می شود.

مقدمه
پلی یورتانها دسته ای از پلیمرهای پر مصارف با خواص عالی هستند. به همین خاطر، طراحان و متخصصان صنایع پوشش دهی بخوبی توان بهره بردای از این ترکیبات را در کاربردهای گوناگون دارند مثالهای متعددی برای کاربردهای فراوان این ترکیبات وجود دارد، از جمله پوششهای شفاف برای پوشش دهنده های تک لایه مخصوص بامها و رنگهای مشخص کردن محل گذر عابرین پیاده و غیره....
مقاومت پلی یورتانها در برابر سایش ضربه و ترک خوردگی بسیار خوب است، از جمله ویژگی های آنها پخت سریع و کامل در دمای محیط است. پلی یورتانها آلیفاتیک از انواع آروماتیک گرانتر هستند. به همین خاطر انواع آروماتیک و نمونه های اپوکسی دار در استری ها، رنگهای پایه و پوششهای رابط بکار می روند. در حالی که آلیفاتیک ها ویژه پوشش نهایی هستند. استفاده از پوشش های محافظ برای جلوگیری از پدیده خوردگی در ساختارهای فولادی که آستر و پوشش پایه آنها از نوع سامان های اپوکسی دار است، نمونه ای از کاربردهای مهم پلی یورتانها محسوب می شوند. مورد دیگر، سامانه های پوشش دهنده کف است که در آنها نیز انواع پوششهای پایه را می توان بکار برد، گاهی پوشش نهائی از نوع یورتان برای لایه نهایی کف نیز کفایت می کند.

کاربرد پلی یورتانها و پلی اوره ها در کفپوشها
انواع فناوری کاربرد پوشش های کف همگی بر دو اصل استوارند. یکی از آنها فناوری فیلم نازک است که یک یا چند پوشش با ضخامت حدود 50 تا 125 میکرون روی سطح کف پوشش داده می شود. درزگیری و غبارزدایی نیز از جمله مراحل مهم در این روش محسوب می شوند که هدف نهایی آنها رسیدن به کفپوشهایی با طرح های زیر و مزین است. رزین های مورد مصرف در پوششهای کف عبارتند از: آلکیدها، اپوکسی ها یا اپوکسی استری بر پایه آب و حلال، مخلوط های معلق، آمیخته های پلی یورتانی بر پایه آب و انواع پلیمرهای آکریلیکی، بهترین حالت برای این نوع کفپوشها آن است که اثر مواد شیمیایی یا آب روی سطح کفپوش براحتی برطرف شود و لکه ای بر جای نماند. پوشش های آلکیدی در مقابل سودسوز آور بسیار ضعیف عمل می کنند.نوع دیگر پوشش دهی فناوری فیلم ضخیم است که در آن حداقل ضخامت پوشش 200 میکرون و حداکثر آن گاهی به ده میلی متر هم می رسد. هدف از این نوع پوشش دهی پر کردن ترکها، حفره ها و تسطیح سطوح شدیداً سایید شده است پوششهای ضخیم هستند. سیمان و مصالح سنگی موردنظر با انواع رزینها مخلوط می شوند اپوکسی ها، پلی یورتانهای آروماتیک (غالباً روغن کوچک و MDIدی فنیل متان 4_ ،4_ دی ایزوسیانات لاتکس SBR و اکریلیکی پر مصرف ترین رزینها هستند. روش کار به شکل پاشش یا ریختن پوشش روی سطح و بدنبال آن ماله کشی دستی یا اعمال به وسیله غلتک است. در برخی از موارد در کفپوش های ضخیم از استرهای غیر اشباع، وینیل استرها و اپوکسی های با میزان صد در صد جامد استفاده می شود.پلی یورتانهای آروماتیک بر پایه MDI برای پوشش دهی کف زیاد بکار می روند، چرا که MDI ایزوسیاناتی نسبتاً ارزان است. جالب است که بدانید مولکول MDI و پلیمر سنتز شده از آن به راحتی پرتو فرابنفش را جذب می کنند، زرد شدن پوشش هایی که در معرض نور خورشید واقع شده اند به همین دلیل همین مسئله است.

پوششهای پلی اوره
در چند سال اخیر فناوری پوششهای پلی اوره گسترش و کاربرد یافته است. از مزایای اصلی این نوع پوششها سخت شدن بسیار سریع آنهاست که نتیجه آن، دسترسی به یک فناوری پرشتاب است....


در سامانه های پلی اوره بر پایه هگزامتیلن دی ایزوسیانات (TMXDI) پوشش پاشیده شده روی بلوک یخ در عرض 20 ثانیه سخت می شوند، ساختار TXMDI در شکل 1 آمده است. پوششهای پلی اوره در پوشش دهی خطوط لوله های انتقال نفت کاربرد دارند و مقدار جریان کاتدی مورد نیاز در حفاظت کاتدی را کم می کنند. در بسیاری از موارد سامانه های پلی اوره همانند پلی یورتانهای دو جزئی هستند. سامانه پوششی در پلی یورتانهای متداول از یک بخش A متشکل از پلی اوره و در صورت نیاز رنگدانه و یک بخش B که غالباً سخت کننده است، تشکیل می شود. همان طور که پیشتر هم گفته شد، سرعت واکنش تشکیل پلی اوره بی نهایت زیاد است، طوری که تجهیزات پاشش ویژه ای مورد نیاز است. زمانی بود که بخش ایزوسیاناتی را مونومر MDI تشکیل می داد. این نوع سامانه های پلی اوره ارزان بوده و خواص خوبی دارند. البته بعدها در اوایل دهه 90 در انگلستان و ایالات متحده سامانه های آلیفاتیک وارد بازار شدند. در این سامانه ها پایداری نوری به مراتب بهتر شده و هر گاه که ایزوسیانات مصرفی TXMDI باشد، سرعت واکنش کمتر می شود. با این حال هنوز هم سرعت واکنش تشکیل پلی اوره چن زیاد است که برای پژوهشگران در آزمایشگاه مشکل ایجاد می کند. زمانی که پلی اوره به طور دستی تهیه می شود، سامانه پس از چند ثانیه غیر قابل استفاده شده و قالبگیری و تهیه فیلم از آن امکانپذیر نخواهد بود. با این حال تهیه نمونه ها به روش پاشش امکانپذیر است، ولی هنگامی که نمونه ها در سردخانه خیلی سرد شوند جابجایی مواد بسیار مشکل است.

روش ساخت
رنگدانه را به مقداری از آمین و افزودنی ها اضافه می کنند تا مخلوط مناسب برای غلتک کاری بدست آید. زمانی که مخلوط به حالتی رسید که براحتی خرد شود، باقیمانده آمین را نیز بدان می افزایند. در صورت وجود رنگدانه های آلی لازم است بجای توزیع کننده های سریع از آسیاب غلتکی افقی استفاده شود. همچنین، دمای مخلوط باید به C 350 برسد.در مرحله بعد در جو نیتروژن، ایزوسیانات به آهستگی در مدت زمان 30 دقیقه به مخلوط آمین اضافه و به حد کافی هم زده می شود.باید اجازه داد که دمای واکنش گرمازا به C350 برسد و سپس محصول برداشته شود. ویکس و همکارانش سرعت سامانه های پلی اوره را تا حدی کند کردند به طوری که امکان استفاده از سامانه های پلی یورتانی در تجهیزات پوشش دهی به طور مستقیم و بدون تغییر به وجود آمد. گرانروی آمین های دارای گروههای جانبی بیشتر از آمین های ساده است و این د ر حالی است که وزن مولکولی آنها نیز بیشتر است. یک راه برای کم کردن گرانروی و بهتر کردن خواص، استفاده از اکسازولیدین با گرانروی کم است. یکی از معایب این سامانه نیاز آن به اجزای با گروه های عاملی ایزوسیانات است. صنعت رنگ هنوز راه زیادی در پیش رو دارد تا به فناوری عاری از ایزوسیانات ها دست یابد.

سامانه های آمیخته
یکی از راه های بکارگیری اکسازولیدین و پلی اوره، ترکیب کردن دو سامانه با هم است. لازم است که موازنه شیمیایی انجام گیرد که البته سامانه های با حجم یک به یک چنین اند. در برخی از موارد، وجود عامل رطوبت زا برای عمل سخت شدن ضرورت دارد.

کفپوش های با سامانه های بر پایه آب
هنگامی که سطح زیادی با سامانه های رنگی بر پایه حلال رنگ می شود مقادیر قابل توجهی از ترکیبات آلی فرار وارد می شود. کاربرد روز افزون پوششها بازار بزرگی برای سامانه های عاری از حلال یا سامانه های بر پایه آب به وجود آورده است. رنگهای پلی یورتانی آمیخته های آنها ورزین های آکریلیکی سهم زیادی از بازار اروپا را به خود اختصاص داده اند. پلیمرهای اکریلیکی امولسیونی یا همان لاتکس ها نسبتاً ارزان تر هستند.امولسیون های آکریلیکی نیز تقریباً برای چند سال جزو کالاهای مقرون به صرفه محسوب می شدند. آنها کاربرد زیادی در پوششهای تزئینی دارند، بخصوص در کفپوشهای از جنس پلی یورتان و در مقابل سایش نسبت به نوع آکریلیکی بسیار مقاوم تراند، ولی این ترکیبات گران بوده و تلاش می شود تا فرمول های جدید ارزان از آنها تهیه شود.

رزین های پراکنشی پلی یورتانی (PUD)
روش مرسوم در ساخت رزین های پراکنشی پلی یورتانی بر پایه آب، تهیه پیش پلیمری با گروه پایانی ایزوسیانات است که پلی ال اصلاح کننده در ساختار زنجیر، گروه عاملی کربوکسیلیک اسید را به وجود می آورد و در مرحله بعد این ماده با آمین نوع سوم در آب پخش می شود تا مراکز یونی به وجود آورد. به این ترتیب ذرات پلیمر پایدار می گردند. با حضور یک پلی آمین موجب می شود طول زنجیر اجزای تشکیل دهنده زیادتر شود.
در برخی مخلوط ها نسبت مولی گروههای NCO به OH دقیقاً 2 به 1 است. در نسبت مولی حدود 1 به 1، گرانروی بسیار زیاد می شود و تهیه رزین های پراکنشی پلی یورتانی با مشکل روبرو می شود. در ضمن خطر ژله ای شدن نابهنگام هم وجود دارد. ولی اگر این نسبت کمتر از 5/1 به 1 باشد امکان بروز چنین خطری کمتر میشود. برای پایین آوردن سریع دما در حین تهیه مخلوط های پلی یورتانی از یخ استفاده می شود. در نتیجه سرعت واکنش بین آب و گروه ایزوسیانات کم می گردد. بهترین حالت آن است که پیش پلیمر با گروه پایانی NCO با افزاینده زنجیر آمینی واکنش دهد. با این حال پراکنده کردن پیش پلیمر در آب، به ویژه در یک واحد صنعتی نیازمند زمان مشخصی است. در هر صورت واکنشهای جانبی نامطلوب بین آب و ایزوسیانات رخ می دهد. با سرد کردن مخلوط خنثی تا زیر دمای 0C5 واکنش های جانبی به حداقل میزان خود می رسند.

اصلاح کننده های چسبندگی
راه های زیادی برای اصلاح خواص و کارایی رزین های پراکنشی پلی یورتانی وجود دارد. یکی از روش های اصلاح به فناوری اختلاف مرسوم است. رزین های پراکنشی پلی یورتانی در حضور سایر پلیمرها تهیه می شوند. یا به عبارت دیگر با آنها مخلوط می شوند و قبل از پراکنده شدن پلی یورتان پیش پلیمر تازه که برای تهیه رزین پراکنشی پلی یورتانی بکار می رود باید اصلاح شود. با وارد کردن نوعی اصلاح کننده اپوکسی دار به درون ساختار پیش پلیمر می توان استحکام چسبندگی رزین های پراکنشی پلی یورتانی را زیاد کرد. برای مثال، پروپیلن اکسید بر پایه دی گلیسیدیل اتر با وزن مولکولی بیش از 700 با دی اتانول آمین به نسبت مولی یک به یک در دمای C60 واکنش می دهد و ترکیبی با گروه پایانی اپوکسی و سه گروه OH به وجود می آید. با NMP بعنوان حلال کمکی می توان گرانروی را کنترل کرد.پیش از افزودن ایزوسیانات ترکیب حد واسط را به مخلوط پلی ال و DMPA اضافه می کنند. گروه انتهایی اپوکسی با گروه های ایزوسیانات یا افزاینده زنجیر پلی آمین واکنش نمی دهد، چرا که واکنش با ایزوسیانات و آمین به ویژه زمانی که دما پایین باشد، بسیار کند است. می توان از رزین های پراکنشی پلی یورتانی اصلاح شده برای پوشش دادن انواع پلاستیکهای مصرفی در صنایع خودرو سازی استفاده کرد یا آنکه این مخلوط ها را در ترکیب یک آئروسل بر پایه آب بکار برد. در این حالت به ماده ای مانند دی متیل اتر نیاز است. یکی از روش های کاهش قیمت، اختلاط رزین های پراکنشی پلی یورتانی با پلیمرهای آکریلیک است.مدت مدیدی است که در اروپا از پوششهای رنگدانه دار بر پایه آب حاوی مخلوط 50:50 از مخلوط معلق پلی یورتانی و رزین های امولسیونی آکریلیکی در تهیه کفپوشها استفاده می شود. این پوششها در حالت خشک سطح نیمه براق سفید رنگی را ایجاد می کنند که برای پوشش کف های بتنی و یا تزئین کفپوش های چوبی به ویژه در مواردی که مقاومت در برابر الکل یا آب حائز اهمیت است، بسیار مناسب تشخیص داده اند. یکی از مزایای بسیار مهم مخلوط معلق پلی یورتانی بر پایه آب کامل شدن واکنش ها در این مدت سامانه هاست، به طوریکه در پایان واکنش هیچ ایزوسیانات آزادی بر جای نمی ماند. در دراز مدت با حرکت صنعت پوشش دهی به سوی سامان های عاری از ایزوسیانات این مورد یک مزیت جدی تلقی می گردد.

سامانه های بر پایه سیمان
تعدادی از شرکت های اخیر در کف پوش های مورد استفاده خود، سیمان های اصلاح شده پلی یورتانی را بکار برده اند. از جمله خواص مهم در این ترکیب می توان به کم بودن گاز دی اکسید کربن به وجود آمده مسطح شدن خوب و زمان کاری حدود 30 دقیقه آن اشاره کرد. هر سه جزء سازنده روی خواص پوشش کف بر پایه سیمان اصلاح شده با پلی یورتان اثر می گذارند. در این نوع سامانه های پلی یورتانی از واکنش اجزای سازنده با آب، اوره و گاز دی اکسید کربن به وجود می آید که علت آن وجود MDI در فرمول است. MDI با گروههای هیدروکسی در روغن کرچک که نوعی تری گلیسیرید اسید الکل چرب است، واکنش می دهد مخلوط سیمان – پلی یورتان پوشش سختی به وجود می آورد که می توان انواع پوششهای به حالت مایع را برای تزئین روی آن بکار برد. آهک موجود در ترکیب آب جذب می کند و سرعت سخت شدن سیمان به این روش کنترل می شود. در ضمن آهک مقداری از دی اکسید کربن حاصل از واکنش MDI و آب را نیز جذب خود می کند. واکنش های آهک با دی اکسید کربن و آب به شکل زیر است:
CaO+CaCO3 ----------> CaCO3
Ca(OH)+ CO2 ---------> CaCO3+H2O
در فناوری نوین بخشی از سامانه رنگزای پوشش را ملات تشکیل می دهد. ملات مخلوطی از رزین های ویژه و جزء رنگز است که از سیمان و الیاف تشکیل می شود. الیاف انعطاف پذیری لازم را به پوشش داده و رشد ترک را کنترل می کند، ضمن آنکه استحکام کششی را بهبود می بخشد. استحکام کششی ترکیبات سیمانی مانند اکثر مواد سرامیکی کم، ولی استحکام فشاری آنها زیاد است. با افزودن الیاف با برخی از پلیمرها می توان ویژگی های رشد ترک را در پوشش کنترل کرد. وقتی سیمان با آب ترکیب می شود. یونهای OH به تعداد فراوان تشکیل شده و PH شدیداً بالا می رود. اگر از این نوع پوششها برای پوشش دهی سطوح فولادی استفاده شود، محیط قلیایی حاصل فولاد را در برابر خوردگی محافظت می کند. درست مانند آنچه که در بتن های مسطح با میلگردهای فولادی به وقوع می پیوندد. این نوع پوششها را می شود روی سطوح عمودی مانند لوله های انتقال نفت به راحتی مورد استفاده قرارداد. حاصل کار، سامانه های ارزان قیمت مقاوم در برابر خوردگی است که بسیار انعطاف پذیر، محکم وبا دوام نیز هستند.

نتیجه گیری
استفاده از پلی یورتانها، پلی اوره ها و رزین های پراکنشی پلی یورتانی و مواد شرکت کننده در واکنش های آنها به طور پیوسته در حال رشد و توسعه است. این مواد بیشترین کاربرد را در پوشش دهی سطوح گوناگونی دارند. مسائل زیست محیطی و مقررات جدید، فناوری نوین ساخت پوشش را به سوی سامان های بدون حلال، پر جامد و سامانه های بر پایه آب هدایت می کنند. در آینده سامانه های پوشش دهی عاری از ایزوسیانات کاربری بیشتری پیدا خواهند کرد. البته کیه این موارد به هوش، ذکاوت و تلاش محققان و طراحان انواع پلیمرها و رزین های صنعتی بستگی دارد.طرح های نوین جالبی نیز برای سامانه های سیمانی اصلاح شده با پلیمرها به منظور حفاظت کف و سطوح فولادی وجود دارد. با ورود سامانه های جدید به بازار قدیمی ها از رده خارج می شوند و برای سامانه های جدید آینده ای روشن در پیش است.