انگلیسی 
پلی اورتان (Polyurethane) یا پلی یورتان که اغلب به اختصار PU نامیده میشود، خانوادهای از پلیمرهای متنوع است که واحدهای آلی را از طریق پیوند کاربامات (اوره) به هم متصل میکند.
بهعبارت دیگر، در ساختار شیمیایی پلی اورتان، مونومرهای دوگانه یا چندگانه تشکیلدهنده (ایزوسیاناتها و پلیالها) با یکدیگر واکنش میدهند و زنجیرهای متشکل از واحدهای –NH–CO–O– (گروه اوره) میسازند. از آنجا که هر دو عامل واكنشی (ایزوسیانات و پلیال) دارای چندین گروه عملکردی هستند، محصول نهایی میتواند ساختارهای خطی یا شبکهای مختلفی داشته باشد.
به همین علت، پلی اورتان به جای یک پلیمر مشخص، به گروه وسیعی از پلیمرها اطلاق میشود که از مواد اولیه متنوع تولید شدهاند؛ بنابراین خواص متفاوتی میتوانند داشته باشند و در کاربردهای متنوعی به کار رون
خواص مواد به نوع پلیال، جرم مولکولی و تعداد گروههای عاملی بستگی دارد. از همین رو میتوان پلیاورتانها را برای کاربردهایی از اسفنجهای انعطافپذیر تا دریچههای قلب مصنوعی تنظیم کرد. در این مطلب با ترکیب شیمیایی، انواع پلی یورتان، فرآیند تولید، خواص و کاربردهای پلی اورتان آشنا می شوید.
تاریخچه پلی اورتان
پلی اورتان برای اولین بار در سال ۱۹۳۷ توسط اوتو بایر و همکارانش در شرکت IG Farben آلمان سنتز شد. در دهه ۱۹۵۰ تولید صنعتی پلیاورتان آغاز گردید؛ بهطوریکه اولین پلیایزوسیاناتهای تجاری در سال ۱۹۵۲ معرفی شدند و تولید فوم انعطافپذیر پلیاورتان (با واکنش توولوئن دیایزوسیانات و پلیاستر پُلیول) در سال ۱۹۵۴ شروع شد.
در جنگ جهانی دوم پلی اورتان بهعنوان پوشش هواپیما بهمقدار محدود به کار میرفت. در دهه ۱۹۶۰ کاربردهای پلییورتان در صنعت خودروسازی نیز گسترش یافت؛ برای مثال داشبورد، پنلهای درب و قطعات داخلی خودرو به وسیله فومهای PU تقویت شدند. به مرور، بخش اعظم تولید پلیاورتان صرف تولید انواع فومها شده است؛ بهگونهای که در سال ۲۰۱۶ حدود ۶۷٪ از کل تولید پلیاورتان به فومهای نرم و سخت اختصاص داشت
فرق پلی اورتان با پلی یورتان چیست؟
اگر در مقالات صنعتی یا فروشگاههای رنگ و پوشش، با دو واژهی پلیاورتان و پلییورتان روبهرو شدهاید، باید بدانید که هیچ تفاوتی از نظر ترکیب شیمیایی یا کاربرد بین آنها وجود ندارد. هر دو اصطلاح در واقع به یک ماده یعنی Polyurethane اشاره دارند.
در زبان انگلیسی تلفظ این واژه چیزی میان پُلییورِثِین و پُلییورِتِین است. همین تفاوت در تلفظ باعث شده در فارسی دو شکل نوشتاری «پلیاورتان» و «پلییورتان» رواج پیدا کند.
ساختار شیمیایی و انواع پلی اورتان
در سطح مولکولی، پلیاورتانها حاصل واکنش همپلیمریزاسیون یک ترکیب حاوی گروه ایزوسیانات (–N=C=O) با یک ترکیب چندعاملی دارنده گروه هیدروکسیل (–OH) هستند. این واکنش گرمازا بوده و حتی بدون کاتالیزور در دمای محیط قابل انجام است.
به همین دلیل برخلاف دیگر پلیمرهای گرماسخت مانند پلیاتیلن یا پلیپروپیلن که ابتدا شکلپذیری یافته و سپس قالبگیری میشوند، پلیاورتان در همان محل نهایی شکلگیری خود پلیمریز شده (مانند تزریق واکنشی RIM یا اسپری PU) و محصول نهایی را میسازد.
در حضور رطوبت، ایزوسیانات با آب واکنش جانبی داده و تولید گاز دیاکسید کربن و آمین میکند؛ این پدیده باعث ایجاد حباب (فوم) در ساختار پلیاورتان میشود. بنابراین، بسته به طرح فرمولاسیون، میتوان فومهای سلولباز یا سلولبسته با چگالیهای متفاوت تولید کرد.
مواد اولیه اصلی تولید پلی یورتان
مواد اولیه اصلی تولید پلیاورتان شامل دو بخش است:
- قسمت A: متشکل از پلیالها (عمدتاً پلیاتر یا پلیاسترهای چندعاملی) به همراه کاتالیزورها، بازدارندههای شعله، اسیدهای معدنی و رنگدانههاست.
- قسمت B: شامل ایزوسیاناتهای دیمر مانند توولوئن دیایزوسیانات (TDI) و متیلن دیفنیل دیایزوسیانات (MDI) است.
پلیالهای پلیمری عمدتاً از دو کلاس تشکیل میشوند: پلیاتر-پلیال که پایداری رطوبتی بالا دارد و انعطافپذیری زیاد فراهم میکند، و پلیاستر-پلیال که مقاومت مکانیکی بالاتری دارد اما در مقابل آب و رطوبت حساستر است.
تعداد گروههای هیدروکسیل و ساختار شبکهای پلیال، میزان کراسلینک و در نتیجه سختی نهایی پلیاورتان را تعیین میکند. در قسمت ایزوسیانات، سهم عمده مربوط به TDI و MDI است (بیش از ۹۰٪ کل مصرف جهانی)؛ TDI معمولاً برای فومهای نرم (انعطافپذیر) و MDI برای فومهای سخت (سخت و مقاوم) به کار میرود.
علاوه بر اینها، افزودنیهای دیگری مانند عوامل دمنده فیزیکی یا شیمیایی (آب، گازهای هالوژنه، هیدروکربنهای سبک)، مواد آنتیاکسیدان، روانکنندهها و رنگها در فرمولاسیونهای PU استفاده میشوند تا خواص نهایی محصول بهبود یابد.
پلییورتانها از واکنشهای گرماده (اگزوترمیک) میان الکلهایی که دارای دو یا چند گروه هیدروکسیل فعال (-OH) در هر مولکول هستند (مانند دیالها، تریالها و پلیالها) با ایزوسیاناتهایی که بیش از یک گروه ایزوسیانات فعال (-NCO) در هر مولکول دارند (مانند دیایزوسیاناتها و پلیایزوسیاناتها) ساخته میشوند.
برای مثال، یک دیایزوسیانات با یک دیال واکنش میدهد:
گروهی که در اثر واکنش بین این دو مولکول تشکیل میشود، «پیوند یورتانی» نام دارد. این پیوند بخش اصلی و اساسی مولکول پلییورتان را تشکیل میدهد. ایزوسیاناتهای رایج شامل تولوئن دی ایزوسیانات (Toluene diisocyanate | TDI) و متیلن دیفنیل دی ایزوسیانات (Methylene diphenyl diisocyanate | MDI) هستند؛ TDI بیشتر برای فومهای نرم و MDI برای فومهای سخت، چسبها و الاستومرها استفاده میشود.
ویژگیهای پلی اورتان
پلییورتانها به دلیل تنوع ساختاری، طیف گستردهای از خواص مفید را نشان میدهند. خواص فیزیکی و همچنین ساختار شیمیایی پلییورتانها به ساختار مواد واکنشدهنده اولیه، بهویژه گروههای R₁ و R₂ بستگی دارد. ویژگیهای پلیالها — از جمله جرم مولکولی نسبی، تعداد گروههای عاملی فعال در هر مولکول، و ساختار مولکولی — بر خواص پلیمر نهایی تأثیر میگذارند و در نتیجه نوع کاربرد آن را تعیین میکنند.
خواص مکانیکی پلی اورتان
پلییورتانها در حالت الاستومری بسیار انعطافپذیر و بازگشتپذیر هستند و در عین حال مقاومت کششی و ضربهای بالایی دارند. بهطور مثال، محدوده مدول یانگ (الاستیسیته) این مواد از حدود ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ مگاپاسکال متغیر است.
همچنین میتوان پلییورتانهای بسیار نرم یا بسیار سخت تولید کرد؛ فومهای نرم PU میتوانند بیش از ۸۰۰٪ تغییر طول بدون گسیختگی را تحمل کنند، در حالی که سختی آنها معمولاً بین ۳۰ تا ۹۵ شُر A یا D قرار دارد.
مقاومت کششی پلییورتانها معمولاً در حدود ۲۰–۶۰ مگاپاسکال است. چگالی این مواد نیز بسته به ساختار به طور متوسط در محدوده ۰٫۹ تا ۱٫۳ گرم بر سانتیمتر مکعب (نزدیک به وزن آب) قرار میگیرد.
خواص حرارتی پلی اورتان
فومهای پلییورتان عایق حرارتی خوبی هستند؛ ضریب هدایت گرمایی PU در حدود ۰٫۰۲ تا ۰٫۰۴ وات بر متر-کلوین است که رقم قابلتوجهی برای یک ماده فومی محسوب میشود. همچنین پلییورتانها میتوانند محدوده دمای کاری گستردهای داشته باشند.
الاستومرهای پلییورتان تا دمای بالاتر از ۱۰۰ درجه سلسیوس خواص خود را حفظ میکنند، در حالی که در دمای بسیار بالا (معمولاً بالای ۲۰۰–۲۵۰ درجه) شروع به تخریب حرارتی میکنند. برخی پلییورتانهای ویژه (با بازدارنده شعله یا برپایه پلیکربنات) مقاومت بالایی در برابر دما و پرتو فرابنفش از خود نشان میدهند.
خواص شیمیایی پلی یورتان
پلییورتانها مقاومت بسیار خوبی در برابر سایش و ضربه دارند و معمولاً در مقابل اسیدها، بازها و بسیاری از حلالهای شیمیایی مقاوم هستند. آنها مقاومت مناسبی در برابر هوازدگی، تابش UV و اکسیدانها دارند البته پلییورتانهای آروماتیک نسبت به تابش پرتو خورشید حساستر از نوع آلیفاتیک هستند.
علاوه بر این، پلییورتانها دارای عایق الکتریکی خوبی هستند و در کاربردهای الکترونیک و برق نیز استفاده میشوند. از لحاظ چگالی پایین و مقاومت مکانیکی بالا، نسبت به بسیاری از ترموپلاستیکها و الاستومرهای طبیعی برتری دارند؛ مثلاً وزن آنها کمتر از لاستیک طبیعی و استحکام آنها بالاتر است.
بهطور کلی میتوان گفت که پلییورتان یک پلیمر بسیار همهکاره است: انعطافپذیر، مقاوم در برابر سایش، دارای چسبندگی و خواص عایقی خوب بوده و نسبت به بسیاری از پلیمرهای دیگر هزینه تولید کمتری دارد
انواع پلی اورتان
بسته به غلظت و ساختار شبکهای پلیمری، پلیاورتان را میتوان در اشکال مختلف تهیه کرد که هر یک برای مصارف خاصی مناسب است. از جمله انواع رایج پلیاورتان میتوان موارد زیر را نام برد:
- فوم نرم (Flexible Foam)
- فوم سخت (Rigid Foam)
- الاستومرهای پلییورتان (Elastomers)
فوم نرم پلی اورتان
فوم نرم پلی یورتان در پزشکی
فوم نرم پلییورتان وزن سبکی دارد و از سلولهای باز متخلخل تشکیل شده است. این فومها به دلیل ارتجاع بالا و راحتی بهعنوان ضربهگیر در انواع محصولات مصرفی و تجاری از جمله در تشکها، مبلمان، فضای داخلی خودرو، زیرپوشهای فرش و بستهبندی استفاده میشود.
فوم نرم میتواند در تقریباً هر شکل و با هر میزان سفتی تولید شود. این فوم سبک، بادوام، حمایتکننده و راحت است. فوم پلییورتان نرم عمدتاً در صنایع تشکسازی، مبلمان و خودروسازی مورد استفاده قرار میگیرد.
فوم سخت پلی اورتان
فوم سخت پلییورتان با سلولهای بسته و ساختاری شبکهای ساخته میشوند و مقاومت فشاری بالایی دارند. از فوم سخت PU عمدتاً برای عایقبندی حرارتی ساختمان (دیوارها، سقفها، کف) و یونیتهای تبرید (یخچالها و فریزرها) استفاده میشود.
فوم سخت و پلیایزوسیانورات (Polyiso) یکی از محبوبترین، کارآمدترین و چندمنظورهترین عایقهای جهان را ایجاد میکنند. این فومها میتوانند بهطور قابلتوجهی هزینههای انرژی را کاهش دهند و در عین حال کارایی و راحتی ساختمانهای مسکونی و تجاری را افزایش دهند.
الاستومرهای پلی اورتان
این مواد بیشتر حالت لاستیکمانند (الاستیک) دارند و فاقد شبکه کامل پیوند عرضی هستند. پلی یورتانهای الاستومری به دلیل مقاومت سایشی و ضربهای بالا، بازگشتپذیری خوب و وزن کم، در ساخت چرخها (مانند چرخدندههای صنعتی، چرخدوم بدنه حملونقل)، تسمهها، واشرها، قطعات تعلیق و قطعات ماشینآلات سنگین به کار میروند.
چسبها و سیلانتهای پلییورتان
با کنترل واکنش پلیمریزاسیون میتوان چسبهایی تشکیل داد که قابلیت چسبندگی قوی به طیف وسیعی از سطوح (فلزات، پلاستیک، چوب) دارند. چسبهای PU در صنعت کفش، مونتاژ قطعات اتومبیل، اتصال شیشه جلو به بدنه و بخشهای مختلف ساختمانی کاربرد فراوان دارند.
سیلانتهای پلی یورتان نیز بهعنوان درزگیر و عایق در ترکها و شکافهای ساختمان استفاده میشوند و پس از پخت، پوششی مقاوم و قابل رنگ شدن ایجاد میکنند.
استفاده از پلییورتانها در بازار روکشها، چسبها، درزگیرها و الاستومرها (CASE) طیف وسیع و روزافزونی از کاربردها و مزایا را ارائه میدهد.
- روکشهای پلییورتان میتوانند ظاهر محصول را بهبود بخشیده و طول عمر آن را افزایش دهند.
- چسبهای پلییورتان مزایای چسبندگی قوی ارائه میکنند.
- درزگیرهای پلییورتان باعث ایجاد مهر و موم محکمتر میشوند.
- الاستومرهای پلییورتان میتوانند تقریباً به هر شکل قالبگیری شوند، سبکتر از فلز هستند، قابلیت بازیابی تنش بالایی دارند و در برابر بسیاری از عوامل محیطی مقاوماند.
چسبانندههای پلییورتانی برای اتصال ذرات و الیاف در تولید صفحات چوبی فشرده، کفپوشهای لاستیکی و قالبهای ماسهای به کار میروند. مهمترین کاربرد آنها در ساخت تخته (Oriented Strand Board | OSB) و زیرلایههای فومی فرش است.
پوششها و رنگهای پلی یورتان
این مواد بهصورت مایع قابل اسپری یا قلممو هستند و پس از اجرا، پوششی سخت، براق و مقاوم به سایش روی سطوح میدهند. پوششهای پلی اورتان در خودرو (رنگ بدنه)، روکش کفپوشهای صنعتی، پوشش حفاظتی سازههای فلزی و چوبی و حتی روی صنایع دریایی برای جلوگیری از خوردگی استفاده میشوند
الیاف پلی یورتانی
الیاف خاص پلی یورتان (اسپندکس یا لاستیک پوشیده) بسیار انعطافپذیر هستند و پس از کشیده شدن، قابلیت بازگشت به حالت اولیه را دارند. از اسپندکس در نساجی (پارچههای کشسان) و پوشاک ورزشی استفاده میشود.
پلی اورتان ترموپلاستیک
پلییورتان ترموپلاستیک (Thermoplastic Polyurethane | TPU) مادهای کشسان، انعطافپذیر و مقاوم در برابر سایش، ضربه و شرایط جوی است. این ماده کاملاً ترموپلاستیک بوده و قابلیت شکلدهی با روشهای مختلفی مانند تزریق، اکستروژن و قالبگیری را دارد. TPU را میتوان رنگآمیزی و بهصورتهای گوناگون فرآوری کرد و به دلیل ترکیب منحصربهفرد خواص فیزیکی، در صنایع ساختمان، خودروسازی و تولید کفش کاربرد فراوان دارد.
قالبگیری تزریقی واکنشی
در روش قالبگیری تزریقی واکنشی (Reaction Injection Molding | RIM) از پلییورتان برای تولید قطعاتی مانند سپر خودرو، قاب تجهیزات الکتریکی و بدنه وسایل الکترونیکی استفاده میشود. RIM امکان ساخت قطعات سبک، مقاوم و با اشکال پیچیده را فراهم میکند و مزایایی مانند عایق حرارتی، پایداری ابعادی و مقاومت در برابر حرارت دارد.
رزین پلی اورتان پایه آب
پوششها و چسبهای پلییورتانی پایه آبی از آب بهعنوان حلال استفاده میکنند و به دلیل کاهش ترکیبات آلی فرّار (VOCs)، جایگزینی دوستدار محیطزیست در صنایع مختلف محسوب میشوند.
فرآیندهای تولید و سنتز پلی اورتان
فرآیند تولید پلییورتان معمولاً به صورت دو جزئی (Two-component) انجام میشود: واکنشدهندهِی A (پلیالها همراه با کاتالیزورها و افزودنیها) با واکنشدهندهی B (ایزوسیانات) مخلوط شده و واکنش شیمیایی سریعی اتفاق میافتد.
این واکنش پلیمریزاسیون از نوع تراکمی (Condensation) است و به طور معمول در دمای محیط یا کمی بالاتر صورت میگیرد. به دلیل سرعت بالای واکنش، روشهای قالبگیری متداول عبارتند از تزریق واکنشی در قالبهای بسته (برای قطعات سخت و الاستومری)، اسپری فوم (برای عایقها) و ریختن در محل (برای چسبها و پوششها). در حین واکنش، کنترل دما، فشار و درصد ماده دمنده اهمیت بالایی دارد تا ساختار سلولی یکنواخت و دلخواه حاصل شود.
ترکیبات پلی اورتان
از آنجا که پلییورتانها از واکنش میان یک ایزوسیانات و یک پلیال بهدست میآیند، فرایند تولید آنها به سه بخش اصلی تقسیم میشود:
- تولید ایزوسیاناتها
- تولید پلیالها
- تولید پلییورتانها
در واکنش شیمیایی تولید پلییورتان، ایزوسیاناتها با گروههای هیدروکسیل پلیالها ترکیب شده و پیوند کارباماتی (اورِه) تشکیل میدهند. واکنش دوم (اختیاری ولی متداول) واکنش بین ایزوسیانات و مولکول آب است که منجر به تولید دیاکسیدکربن میشود؛ این گاز باعث پف کردن (فوم شدن) پلیاورتان میگردد.
برای کنترل دقیق این واکنشها، از کاتالیزورهای مناسب (معمولاً ترکیبات آمینی یا فلزات سنگین) استفاده میشود. بهعنوان مثال، واکنش اصلی پلییورتان بدون کاتالیزور نیز در دمای اتاق صورت میگیرد، اما کاتالیزورها باعث تنظیم سرعت واکنش و زمان پخت میشوند.
مواد افزودنی در واکنش پلی یورتان
مواد افزودنی از قبیل امولسیفایرها و پایدارکنندههای سلولی نیز برای کنترل مورفولوژی فوم (اندازه و یکنواختی حبابها) به کار میروند. بهعلاوه، افزودن مواد ضدآتش (فلاورسنت) مانند فسفاتها و هالوژنها، مقاومت آتشسوزی PU را افزایش میدهد. افزودنیهای دیگری نظیر روانکنندهها و عوامل اصلاح (رزینهای اکریلیک یا وینیل) نیز میتوانند خاصیت چسبندگی، سفتی و سایر ویژگیها را تغییر دهند.
تفاوت اساسی میان تولید پلی اورتان و پلاستیک
تفاوت اساسی میان تولید پلییورتانها و دیگر پلاستیکها وجود دارد. پلیمرهایی مانند پلیاتن (پلیاتیلن) و پلیپروپن (پلیپروپیلن) در کارخانههای شیمیایی تولید شده و بهصورت دانه، پودر یا فیلم به فروش میرسند. سپس با گرمکردن پلیمر، شکلدهی آن تحت فشار، و سرد کردن، محصولات نهایی از آنها ساخته میشود. خواص این محصولات تقریباً بهطور کامل به ویژگیهای پلیمر اولیه وابسته است.
اما پلییورتانها معمولاً مستقیماً به شکل محصول نهایی تولید میشوند. بخش بزرگی از پلییورتانهای تولیدشده بهصورت بلوکهای بزرگ فوم هستند که برای ساخت کوسنها یا بهعنوان عایق حرارتی بریده میشوند. واکنش شیمیایی میتواند درون قالبها نیز انجام گیرد و در نتیجه محصولاتی مانند سپر خودرو، قاب رایانه یا پنل ساختمانی بهدست آید. همچنین ممکن است این واکنش در حالی انجام شود که مواد واکنشدهنده بهصورت مایع بر سطح یک ساختمان اسپری شده یا بر روی پارچه پوشش داده میشوند.
عملکرد و مزایای کاربردی
ویژگیهای خاص پلییورتان باعث شده است در صنایع مختلف بهخوبی جای خود را باز کند. مهمترین مزیت پلییورتان، قابلیت تنظیم گسترده خواص است؛ یعنی با تغییر فرمولاسیون (نوع پلیال، ایزوسیانات، نسبت آنها و افزودنیها) میتوان سختی، الاستیسیته، چگالی و مقاومت حرارتی پلییورتان را مطابق نیاز تنظیم کرد. به همین دلیل پلییورتان را میتوان برای کاربردهایی مثلاً از فوم بسیار نرم و قابلفشردن تا رزین سخت ضدسایش سفارشی تهیه کرد. عمر مفید بالای PU و مقاومت خوب آن در برابر عوامل محیطی، کاربرد آن را در محصولاتی که باید سالها دوام داشته باشند تضمین میکند.
از طرفی وزن کم پلییورتان (چگالی نزدیک ۱) در مقایسه با فلزات یا کامپوزیتهای سنگین، سبب کاهش وزن نهایی قطعات میشود؛ این ویژگی بهویژه در صنایع حملونقل (خودرو، هوافضا) حائز اهمیت است. همچنین فومهای پلییورتان میتوانند حبابهای هوایی فراوانی در خود ایجاد کنند و بهعنوان عایق صوتی و حرارتی بسیار خوبی عمل نمایند. برای مثال، فومهای الاستومری پلییورتان باعث کاهش صدا و لرزش در خودروها و ماشینآلات میشوند.
قیمت پلی یورتان
یکی دیگر از مزایای کلیدی، ارزش اقتصادی پلییورتان است. با وجود عملکرد بالایی که ارائه میدهد، قیمت برخی انواع تجاری آن (مخصوصاً در مقیاس انبوه) گاهی از بسیاری از پلیمرهای مهندسی کمتر است.
بهعنوان نمونه، یک ترکیب پیویسی انعطافپذیر (PVC) ممکن است ۸۵ سنت در هر پوند باشد، در حالی که انواع استاندارد PU قیمتی برابر با ۱۰–۲۰ برابر آن دارند؛ اما بهدلیل کاربردهای خاص (طبی و فنی)، هزینه اضافی معمولاً بهصرفه تلقی میشود. در مجموع، ترکیب استثنایی دوام مکانیکی بالا، قابلیت تنظیم خواص، و قیمت نسبتاً مناسب باعث شده پلییورتان مادهای محبوب در صنایع گوناگون باشد.
کاربردهای پلی یورتان
هیچ نوع پلاستیکی به اندازه پلییورتان قابلیت تولید در اندازه و ویژگیهای دلخواه را ندارد. فومهای پلییورتان میتوانند نرم یا سخت باشند و در برابر سرما مقاوم یا با پوست انسان سازگار باشند. تمام این ویژگیها به نحوه ترکیب پلییورتان بستگی دارد. ترکیب کنترل خواص پلیمر و تنظیم چگالی باعث میشود که دامنه بسیار گستردهای از مواد مختلف بهوجود آید، بهطوریکه پلییورتانها در کاربردهای گوناگون و متنوعی مورد استفاده قرار میگیرند.
کاربردهای اصلی پلی یورتان
کاربرد پلی یورتان در ساختمان و عایق حرارتی
پلی یورتان پاششی
در صنعت ساختمان، پلییورتان بیش از همه در قالب فومهای عایقی (دیوار، سقف، کف) و پوششهای سیلانت به کار میرود. فوم پاششی PU میتواند فضایهای پرت (میان تیرچهها، دور ستونها و زوایای پیچیده) را بهصورت یکپارچه پوشش دهد و از نفوذ هوا و گرما به داخل جلوگیری کند. بهطوریکه ساختمانهای عایق شده با فوم پلییورتان معمولاً از همان روز اول نصب، مصرف انرژی کمتری دارند و گاهی میتوان واحدهای گرمایشی/سرمایشی کوچکتری استفاده کرد. این فومها با ایجاد سد مقاومی در برابر جریان هوا و رطوبت از ورود گردوغبار، آلایندهها و صداهای مزاحم نیز جلوگیری میکنندو راحتی ساکنان را ارتقاء میدهند. شکل نازک و محکم فومهای PU به معماران اجازه میدهد تا دیوارها و سقفهای منحنی یا پیچیده را نیز بدون کاهش کارایی عایقبندی کنند.
علاوه بر عایقبندی حرارتی، پلییورتان در ساختار و پایپینگ ساختمان نیز کاربرد دارد. چسبها و درزگیرهای PU برای اتصال مصالح مختلف (چوب، فلز، بتن، پلاستیک) در پنلهای ساختمانی، کفپوشها و سقفها استفاده میشوند. این چسبها چسبندگی بسیار قوی و مقاومت بالا در شرایط متغیر دما و رطوبت دارند. همچنین پوششهای ضدآب پلییورتان (روی پشتبام، دیوارها، کف زیرزمین) آببندی سطوح را تضمین کرده و از نفوذ آب باران یا رطوبت جلوگیری میکنند. فومهای متراکم PU نیز بهعنوان عایق صوتی در دیوارها و سقفها نصب میشوند تا انتقال صدا را کاهش دهند و محیط آرامتری به وجود آورند.
کاربرد پلی یورتان در خودروسازی
فوم سرد خودرویی
پلییورتان از اجزای مهم تقریباً تمامی خودروها محسوب میشود. فومهای PU در داخل کابین خودرو نقش عمدهای در راحتی سرنشین و کاهش صدا دارند. برای مثال فومهای پلییورتان در دربها، کف، پوشش سقف (هدلاینر) و داشبورد قرار گرفته و بهعنوان عایق صوتی و لرزشگیر عمل میکنند. صندلیهای خودرو معمولاً با فومهای الاستومری PU ساخته میشوند که پشتیبانی مطلوبی فراهم کرده، در برابر استفاده طولانیمدت مقاومت دارند و در نوسانات دما فرسایش نمییابند. همینطور در کیسههای هوا (ایربگ)، فوم PU بهعنوان عامل مکمل برای ایجاد بالشتک اضافی به کار میرود که در زمان حادثه انرژی ضربه را جذب میکند.
در بدنه و شاسی خودرو نیز پلییورتان استفاده میشود؛ مواد قالبگیری واکنشی (RIM) پایه PU برای قطعات داشبورد، ستون فرمان، دستگیرهها و تریم داخلی به کار میروند. افزون بر این، تزریق فوم PU در فضای خالی اجزاء بدنه به تقویت ساختار منجر شده و مقاومت ضربهای خودرو را بالا میبرد. درزگیرهای PU در اطراف درها و پنجرهها نیز از ورود هوا، نفوذ صدا و رطوبت جلوگیری میکنند.
از سوی دیگر، چسبهای پلییورتان در مونتاژ اجزای داخلی خودرو و اتصال شیشه جلو و قطعات دیگر کاربرد دارند؛ این چسبها چسبندگی به مواد مختلف (فلز، پلاستیک، پارچه) را فراهم میکنند و فرآیند تولید را بهینه میسازند.
کاربرد پلی اورتان در صنایع پزشکی
فومهای نرمتر میتوانند فشار و درد را کاهش دهند.
در صنعت پزشکی، پلییورتان به دلیل زیستسازگاری عالی، سازگاری با خون و استحکام مکانیکی مناسب کاربرد گستردهای دارد. این پلیمر بهگونهای طراحی میشود که از نظر بیوشیمیایی خنثی بوده و به بافتهای بدن آسیبی نرساند.
به همین خاطر در تولید انواع وسایل پزشکی و ایمپلنتهای داخلی استفاده میشود. برای مثال، PU در تولید کاتترها (مرکزی و محیطی)، لولههای قلب (هدایتکننده ضربان)، پیسمیکر، پیوندهای عروقی (بایپس)، پوسته فیلترهای دیالیز (الیاف توخالی) و پانسمانهای زخم کاربرد دارد.
همچنین پلییورتان میتواند بهصورت پوشش سطحی برای تجهیزات پزشکی (مانند پوششهای ضدانعقاد برای کتترها) استفاده شود؛ در این حالت با افزودن ترکیبات هیدروفیل، آنتیمیکروبیال یا داروهای ضدترومبوز به پوشش PU، خواص خاصی مانند عدم جذب پروتئین و آزادسازی کنترلشده دارو ایجاد میشود.
پلییورتانهای ترموپلاستیک (TPU) نیز در پزشکی به کار میروند؛ این مواد قابل ذوب هستند و با فرایند تزریق یا اکستروژن قطعات ظریف مثل کاتترهای چندلولهای بسیار نازک را میسازند. بهعنوان مثال، TPUها برای ساخت کاتترهای IV و کاتترهای چندکاناله استفاده میشوند که دیوارههای نازکی برای حداکثر عبور مایعات دارند.
پلیاورتان در صنعت لوازم خانگی
کاربرد فوم سرد در صنعت یخچالسازی
در لوازم خانگی، عایقبندی حرارتی یخچالها و فریزرها مهمترین کاربرد پلییورتان است. تقریباً تمامی یخچالهای مدرن از فوم پلییورتان بهعنوان عایق جدارهها و درها استفاده میکنند. فوم سخت PU با چگالی بالا در فضای میانی دیوارههای یخچال منبسط میشود و با انبساط کامل، سطحی یکپارچه و بیخلاء ایجاد میکند.
این عایقکاری به طرز چشمگیری مصرف انرژی یخچال را کاهش داده و راندمان آن را افزایش میدهد: به گفته کارشناسان، افزایش کارایی یخچالها در دهههای اخیر بیش از ۶۰٪ بوده که بخش زیادی از آن ناشی از بهبودهای مواد عایقی (از جمله فوم PU) است. علاوه بر یخچال، در ساخت ماشینهای لباسشویی و ظرفشویی نیز ممکن است از قطعات PU (نظیر واشرها و دوشهای آب) استفاده شود، هرچند نمونه شاخص همان عایقهای حرارتی و فومهای ضربهگیر هستند. همچنین پلییورتان در لوازم خانگی بهعنوان چسب و پولیشدهنده قطعات پلاستیکی و فلزی کاربرد دارد.
پلییورتان در پوششها و رنگها
پوششهای پلییورتان (PU) برای سطوح گوناگون کاربرد صنعتی دارند. این پوششها پس از پخت به فیلمی سخت، شفاف و مقاوم تبدیل میشوند که در برابر خراش، خوردگی شیمیایی و شرایط محیطی سخت پایدار است. به عنوان نمونه، در صنایع خودروسازی، رنگهای PU جلای بسیار بالایی به بدنه میدهند و مقاومت قابلملاحظهای در برابر شرایط جوی و مواد شیمیایی (نمک خیابان، روغن و حلالها) ایجاد میکنند.
در ساختوساز و صنایع دریایی، پوششهای محافظ بر روی ورقهای فلزی، بتن و چوب اعمال میشوند تا سازهها در برابر زنگزدگی و سایش محافظت شوند. ضخامت پائین لایهپوششهای PU به معماران امکان میدهد سطوح غیرتراز و پیچیده را نیز پوشش دهند. مهم آن است که پوشش PU میتواند برای کاربردهای خاص فرمولبندی شود: برای مثال پوششهای ضدآب و قیرگونه برای پشتبامها، پوششهای بدون حلال (آبپایه) برای محیطهای بسته و پوششهای ورنی مقاومتی برای کف پوشیده میشوند.
کاربرد پلی یورتان در مبلمان و کالای خواب
فوم سرد مبلی
بخش عمدهای از پلییورتان تولیدی دنیا در ساخت فومهای نرم مبلمان و کالای خواب به کار میرود. فومهای الاستومری PU بهخاطر نرمی و برگشتپذیری بالا در نشیمنگاه مبلها، صندلیها، تشکها و بالشتها استفاده میشوند. بر اساس آمار صنعت، فوم مبلمان بزرگترین سهم کاربردی پلییورتان را تشکیل میدهد.
این فومها با حفظ شکل پس از استفاده طولانی، راحتی و حمایت مناسب را فراهم میکنند. همچنین در مبلمان روکشدار (چرم مصنوعی)، مواد اولیه PU در روکشهای پارچهای یا چرمی استفاده میشود که ظاهری شبیه چرم طبیعی با هزینه پایینتر ایجاد میکند.
استفاده از پلی اورتان در صنایع الکترونیک و بستهبندی
در صنایع الکترونیکی، PU بهعنوان ماده پُتینگ (Encapsulant) و پوشش عایق استفاده میشود. پُتینگ پلییورتانی برای پوشاندن و محافظت از بردهای مدار چاپی و باتریها به کار میرود؛ این مواد پس از پخت شفاف یا رنگی میتوانند اجزاء الکترونیکی را در برابر رطوبت، گردوغبار، و شوکهای مکانیکی محافظت کنند. برای مثال، پلییورتانهای مخصوص پُتینگ با خاصیت عبور حرارت، ایمنی در باتریهای خودروهای برقی را افزایش میدهند.
فوم نرم پلی یورتان معمولاً برای محافظت از ابزارهای پزشکی حساس و الکترونیکها استفاده میشود.
در حوزه بستهبندی نیز از فومهای پلییورتان استفاده میشود. به دلیل نرم بودن و قابلیت ضدانفجار الکترواستاتیک، فومهای ضداستاتیک PU محافظ خوبی برای اقلام الکترونیکی و قطعات حساس در حملونقل هستند.
این فومها (که گاهی با عنوان Charcoal foam یا anti-static PU foam عرضه میشوند) به دلیل رنگ تیره و مقاومت سطحیشان، انتخاب مناسبی برای بستهبندی سختافزارهای کامپیوتری و تجهیزات ظریف هستند. به طور کلی، PU در قالب ورقه یا بلوکهای فومی، به عنوان بالشتک ضربهگیر در بستهبندیهای صنعتی کاربرد دارد.
کاربرد پلی اورتان در صنایع مختلف
برخی از مهمترین دلایل انتخاب پلییورتانها مطابق با آنچه در جدول ۱ نشان داده شده، عبارتاند از:
| کاربرد پلی اورتان | دلایل استفاده |
| مبلمان، پشتیها و کوسنها | چگالی پایین، انعطافپذیری، مقاومت در برابر خستگی |
| زیره کفش | انعطافپذیری، مقاومت در برابر سایش، استحکام، دوام بالا |
| ساندویچ پانل | عایق حرارتی، استحکام، طول عمر زیاد |
| کاربردهای پزشکی | انعطافپذیری و پایداری زیستی |
| تجهیزات الکتریکی | عایق الکتریکی، سختی و مقاومت در برابر روغنها |
پلییورتانها میتوانند در هر چگالی، مثلاً بین ۱۰ تا ۱۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب، به صورت مادهای سخت یا لاستیکی باشند. دامنه گستردهای از خواص که در اختیار طراحان و تولیدکنندگان قرار دارد، نشاندهنده تنوع بسیار زیاد پلییورتانهاست، و این موضوع در کاربردهای فراوان و بسیار متنوع آنها بهخوبی دیده میشود.
مزایا و معایب پلییورتان در مقایسه با مواد مشابه
پلییورتان نسبت به بسیاری از مواد سنتی مزایای چشمگیری دارد. برای مثال، در مقایسه با فومهای پلیاستایرن (EPS/XPS)، فوم سخت PU مقاومت حرارتی (R-value) بالاتری ارائه میدهد: هر اینچ فوم سلولبسته PU معادل مقدار قابلتوجهی از عایقکاری برابر چند اینچ EPS/XPS است.
همچنین فوم PU بهدلیل ساختار سلولبسته در برابر نفوذ رطوبت بسیار مقاومتر عمل میکند و از ایجاد کپک و پوسیدگی جلوگیری میکند. به طور مشابه، PU در مقایسه با پلیاتیلن و پلیپروپیلن فوم (که فشردهتر هستند) وزن کمتری دارد و برای کاربردهای نیازمند چگالی پایین و شکلگیری درجا مناسبتر است.
در مقابل سایر لاستیکها (مانند لاستیک طبیعی)، PU مقاومت شیمیایی و عمر خستگی بالاتری دارد. مقاومت بالای PU در برابر ضربه، سایش و مواد شیمیایی، و امکان تولید آن در ابعاد و شکل دلخواه، موجب برتری آن در بسیاری از کاربردهاست.
با این حال، معایبی نیز وجود دارد. یکی از مشکلات مهم پلییورتان قابلیت اشتعال بالای آن است: اگر فوم PU در معرض شعله قرار گیرد، به سرعت میسوزد و دود غلیظ و گازهای سمی (از جمله منواکسید کربن و سیانید هیدروژن) تولید میکند. بنابراین در کاربردهای ساختمانی و دریایی محدودیتهای ایمنی وجود دارد و اغلب نیاز به افزودن مواد ضدآتش یا استفاده از پوششهای محافظ احساس میشود.
از نظر زیستمحیطی، بازیافت پلییورتان چالشبرانگیز است. PUها تجزیهپذیر نیستند و روشهای مکانیکی یا شیمیایی بازیافت هنوز گسترده نشدهاند. هر چند اخیراً فرایندهایی برای تبدیل فومهای قدیمی (مثلاً تشکها) به پلیالهای بازیافتی توسعه یافته است، ولی بیشتر ضایعات PU در دفن زباله انباشته میشوند.
علاوه بر این، تولید PU نیازمند استفاده از ایزوسیاناتهای سمی است که برای کارگران خطرات تنفسی (حساسیتهای ریوی و آسم شغلی) دارند. هزینه اولیه پلییورتان و محدودیت تامین مواد خام (خصوصاً برای نسخههای اصلاح شده با مواد تجدیدپذیر) نیز از دیگر ملاحظات اقتصادی این ماده است.
در مجموع میتوان گفت پلییورتان ترکیب منحصر بهفردی از عملکرد بالا را با هزینه و زیستپذیری متوسط ارائه میدهد؛ این باعث میشود در بسیاری از کاربردهای خاص با مواد دیگر رقابت کند، ولی نیازمند اقدامات احتیاط و مدیریت منابع است.
آینده صنعت پلییورتان
با توجه به نگرانیهای زیستمحیطی و قیمت نفت، تولیدکنندگان پلییورتان در سالهای اخیر به سمت «پایداری» رفتهاند. پلییورتان زیستپایه (Bio-based PU) و بازیافتپذیر دو گرایش اصلی هستند. امروزه پلیمریزاسیون PU میتواند با پلیالهایی انجام شود که از منابع تجدیدپذیر مانند روغن سویا، روغن کرچک یا اسیدهای چرب گیاهی حاصل شدهاند.
برای مثال، شرکت خودروسازی فورد از سالها پیش در ساختن صندلی خودروهایش از پلیاَلهای حاوی روغن سویا استفاده کرده و اخیراً شرکتهای کیف و کفشسازی نیز از پلییورتانهای حاصل از گیاهان (مانند کرچک) در تولید محصولات ورزشی بهره میبرند. همچنانکه آدیداس در سالهای اخیر کفشهای کاملاً بازیافتپذیر بر پایه TPU ارائه داده که هر جز ترکیب آن از پلییورتان قابل بازیافت است.
در زمینه بازیافت، شرکتهای بزرگی مانند BASF و Dow فرایندهای شیمیایی ویژهای توسعه دادهاند که فومهای PU را به اجزای پایهشان (مثل پلیاَل) تبدیل کرده و مجدداً مورد استفاده قرار میدهند. بهعنوان مثال، برنامه بازیافت تشک Renuva شرکت Dow فومهای پلییورتان مستعمل را به پلیاَل تبدیل میکند که میتوان در فومهای جدید به کار برد.
همچنین تأمینکنندگان بزرگی مانند Covestro در حال استفاده از پلیاَلهای بازیافتی و اسیدهای آلی تولید شده از زیستتوده برای پلییورتان هستند. در کاربردها نیز پیشرفتهایی دیده میشود: مثلاً یک شرکت ترکیهای یخچالی تولید کرده که عایق آن از پلییورتان کاملاً زیستپایه است.
بهطور خلاصه، آینده پلییورتان در جهت ترکیب کارایی فنی بالا با پایداری محیطی حرکت میکند. این بدان معناست که ظهور پلییورتانهای جدید با درصد بالای مواد گیاهی، قابلیت بازیافت شیمیایی و زیستسازگاری بهتر پیشبینی میشود. در نتیجه، انتظار میرود در آینده نه تنها عملکرد پلییورتان بهبود یابد، بلکه اثرات زیستمحیطی آن نیز کاهش پیدا کند تا همچنان در صنایع پیشرفته جایگاه خود را حفظ کند
منبع:
- en.wikipedia.org
- plasticstoday.com
- l-i.co.uk
- xometry.com
- americanchemistry.com
- mddionline.com
- sterlinghouston.com
مطلب پیشنهادی: