کاربرد پلی اوره و پلی اورتان

polyurethane-420x300

Project details

کاربرد پلی اوره و پلی اورتان

پلی یورتانها دسته‌ای 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 دهنده‌های تک لایه مخصوص بام‌ها و رنگ‌های مشخص کردن محل گذر عابرین پیاده و غیره.

مقاومت پلی‌یورتان‌ها در برابر سایش ضربه و ترک خوردگی بسیار خوب است، از جمله ویژگی‌های آنها پخت سریع و کامل در دمای محیط است. پلی یورتان‌ها آلیفاتیک از انواع آروماتیک گرانتر هستند. به همین خاطر انواع آروماتیک و نمونه‌های اپوکسی‌دار در استری‌ها، رنگ‌های پایه و پوشش‌های رابط بکار می‌روند. در حالی که آلیفاتیک ها ویژه پوشش نهایی هستند. استفاده از پوشش‌های محافظ برای جلوگیری از پدیده خوردگی در ساختارهای فولادی که آستر و پوشش پایه آنها از نوع سامان‌های اپوکسی‌دار است، نمونه ای از کاربردهای مهم پلی‌یورتان‌ها محسوب می‌شوند. مورد دیگر، سامانه‌های 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 پلی‌یورتانها و پلی‌اوره‌ها در کفپوش‌ها

فناوری کاربرد پوشش‌های همگی بر دو اصل استوارند. یکی از آنها فناوری فیلم نازک است که یک یا چند پوشش با ضخامت حدود ۵۰ تا ۱۲۵ میکرون روی سطح کف پوشش داده می شود. درزگیری و غبارزدایی نیز از جمله مراحل مهم در این روش محسوب می‌شوند که هدف نهایی آنها رسیدن به کفپوش‌هایی با طرح های زیر و مزین است. رزین های مورد مصرف در پوشش‌های کف عبارتند از آلکیدها، اپوکسی‌ها یا اپوکسی‌استری 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 لکه‌ای بر جای نماند. پوشش‌های آلکیدی در مقابل سودسوز آور بسیار ضعیف عمل می‌کنند.

نوع دیگر پوشش‌دهی فناوری فیلم ضخیم است که در آن حداقل ضخامت پوشش ۲۰۰ میکرون و حداکثر آن گاهی به ده میلی متر هم می‌رسد. هدف از این نوع پوشش دهی پر کردن ترک‌ها، حفره‌ها و تسطیح سطوح شدیدا سایید شده است پوشش‌های ضخیم هستند. سیمان و مصالح سنگی موردنظر با انواع رزین‌ها مخلوط می‌شوند اپوکسی‌ها، پلی یورتان‌های آروماتیک (غالبا روغن کوچک و  MDIدی‌فنیل متان ۴-۴-دی‌ایزوسیانات لاتکس SBR و اکریلیکی پر مصرف ترین رزین‌ها هستند. روش کار به شکل پاشش یا ریختن پوشش روی سطح و به دنبال آن ماله‌کشی دستی یا اعمال به وسیله غلتک است. در برخی از موارد در کفپوش های ضخیم از استرهای غیر اشباع، وینیل استرها و اپوکسی‌های 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 مولکول MDI و پلیمر سنتز شده از آن به راحتی پرتو فرابنفش را جذب می‌کنند؛ زرد شدن پوشش‌هایی که در معرض نور خورشید واقع شده‌اند به همین دلیل همین مسئله است.

پوشش‌های پلی اوره

در سالیان اخیر فناوری پوشش‌های پلی‌اوره 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 سامانه‌های پلی‌اوره بر پایه هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات (TMXDI) پوشش پاشیده شده روی بلوک یخ در عرض ۲۰ ثانیه سخت می‌شوند. پوشش‌های پلی‌اوره در پوشش‌دهی خطوط لوله‌های انتقال نفت کاربرد دارند و مقدار جریان کاتدی مورد نیاز در حفاظت کاتدی را کم می‌کنند. در بسیاری از موارد سامانه های پلی اوره همانند پلی‌یورتان‌های دو جزئی هستند. سامانه پوششی در پلی‌یورتان‌های متداول از یک بخش A متشکل از پلی اوره و در صورت نیاز رنگدانه و یک بخش B که غالباً سخت کننده است، تشکیل می‌شود. همان طور که پیشتر هم گفته شد، سرعت واکنش تشکیل پلی‌اوره بی نهایت زیاد است، طوری که تجهیزات پاشش ویژه ای مورد نیاز است. زمانی بود که بخش ایزوسیاناتی را مونومر MDI تشکیل می‌داد. این نوع سامانه‌های پلی‌اوره ارزان بوده و خواص خوبی دارند. البته بعدها در اوایل دهه ۹۰ در انگلستان و ایالات متحده سامانه‌های آلیفاتیک وارد بازار شدند. در این سامانه‌ها 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 می‌کند. زمانی که پلی اوره به طور دستی تهیه می‌شود، 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 می‌افزایند. در صورت وجود رنگدانه‌های آلی لازم است به جای توزیع کننده‌های سریع از آسیاب غلتکی افقی استفاده شود. همچنین، دمای مخلوط باید به ۳۵۰°C برسد. در مرحله بعد در جو نیتروژن، ایزوسیانات به آهستگی در مدت زمان ۳۰ دقیقه به مخلوط آمین اضافه و به حد کافی هم زده می شود. باید اجازه داد که دمای واکنش گرمازا به ۳۵۰°C 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.

سامانه‌های 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.

کفپوش‌های با سامانه های بر پایه آب

هنگامی که سطح زیادی با سامانه های رنگی بر پایه حلال رنگ می‌شود مقادیر قابل توجهی از ترکیبات آلی فرار وارد می‌شود. کاربرد روز افزون پوشش‌ها بازار بزرگی برای سامانه‌های عاری از حلال یا سامانه های بر پایه آب به وجود آورده است. رنگ‌های پلی‌یورتانی آمیخته‌های آنها و رزین‌های آکریلیکی سهم زیادی از بازار اروپا را به خود اختصاص داده‌اند. پلیمرهای اکریلیکی امولسیونی یا همان لاتکس‌ها نسبتاً ارزان‌تر هستند. امولسیون‌های آکریلیکی نیز تقریباً برای چند سال جزو کالاهای مقرون به صرفه محسوب می‌شدند. آنها کاربرد زیادی در پوشش‌های تزئینی دارند، به خصوص در کفپوش‌های از جنس پلی‌یورتان و در مقابل سایش نسبت به نوع آکریلیکی بسیار مقاوم‌تراند، ولی این ترکیبات گران بوده و تلاش می‌شود تا فرمول‌های جدید ارزان از آنها تهیه شود.

رزین های پراکنشی پلی‌یورتانی (PUD)

روش مرسوم در ساخت رزین‌های پراکنشی پلی‌یورتانی بر پایه آب، تهیه پیش پلیمری با گروه پایانی ایزوسیانات است که پلی‌ال اصلاح کننده در ساختار زنجیر، گروه عاملی کربوکسیلیک اسید را به وجود می‌آورد 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 می‌گردند. 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 ۲ به ۱ است. در نسبت مولی حدود ۱ به ۱، گرانروی بسیار زیاد می شود و تهیه رزین‌های پراکنشی پلی یورتانی با مشکل روبرو می شود. در ضمن خطر ژله‌ای شدن نابهنگام هم وجود دارد. ولی اگر این نسبت کمتر از ۵/۱ به ۱ باشد امکان بروز چنین خطری کمتر می‌شود. برای پایین آوردن سریع دما در حین تهیه مخلوط های پلی‌یورتانی از یخ استفاده می‌شود. در نتیجه سرعت واکنش بین آب و گروه ایزوسیانات کم می‌گردد. 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 می‌دهد. با سرد کردن مخلوط خنثی تا زیر دمای ۵۰°C واکنش های جانبی به حداقل میزان خود می رسند.

اصلاح کننده‌های چسبندگی

راه‌های زیادی برای اصلاح خواص و کارایی رزین‌های پراکنشی پلی‌یورتانی وجود دارد. یکی از روش های اصلاح به فناوری اختلاف مرسوم است. رزین های پراکنشی پلی یورتانی در حضور سایر پلیمرها تهیه می‌شوند. یا به عبارت دیگر با آنها مخلوط می‌شوند و قبل از پراکنده شدن پلی‌یورتان پیش پلیمر تازه که برای تهیه رزین پراکنشی پلی یورتانی بکار می‌رود  باید اصلاح شود. با وارد کردن نوعی اصلاح کننده اپوکسی‌دار به درون ساختار پیش پلیمر می‌توان استحکام چسبندگی رزین‌های پراکنشی پلی‌یورتانی را زیاد کرد. برای مثال، پروپیلن اکسید بر پایه دی‌گلیسیدیل اتر با وزن مولکولی بیش از ۷۰۰ با دی‌اتانول آمین به نسبت مولی یک به یک در دمای ۶۰°C واکنش می‌دهد 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 پلی‌ال و DMPA اضافه می‌کنند. گروه انتهایی اپوکسی با گروه‌های ایزوسیانات یا افزاینده زنجیر پلی‌آمین واکنش نمی‌دهد، چرا که واکنش با ایزوسیانات و آمین به ویژه زمانی که دما پایین باشد، بسیار کند است. می‌توان از رزین‌های 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 ماده‌ای مانند دی‌متیل 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 رنگدانه‌دار بر پایه آب حاوی مخلوط ۵۰:۵۰ از مخلوط معلق پلی‌یورتانی و رزین‌های امولسیونی آکریلیکی در تهیه کفپوش‌ها استفاده می‌شود. این پوشش‌ها در حالت خشک سطح نیمه براق سفید رنگی را ایجاد می‌کنند که برای پوشش کف‌های بتنی و یا تزئین کفپوش‌های چوبی به ویژه در مواردی که مقاومت در برابر الکل یا آب حائز اهمیت است، بسیار مناسب تشخیص داده‌اند. یکی از مزایای بسیار مهم مخلوط معلق پلی‌یورتانی بر پایه آب کامل شدن واکنش‌ها در این مدت سامانه هاست، به طوریکه در پایان واکنش هیچ ایزوسیانات آزادی بر جای نمی‌ماند. در دراز مدت با حرکت صنعت پوشش دهی به سوی سامان‌های عاری از ایزوسیانات این مورد یک مزیت جدی تلقی می گردد.

سامانه های بر پایه سیمان

تعدادی از شرکت‌های اخیر در کف پوش‌های مورد استفاده خود، سیمان‌های اصلاح شده پلی یورتانی را بکار برده اند. از جمله خواص مهم در این ترکیب می‌توان به کم بودن گاز دی‌اکسید کربن به وجود آمده مسطح شدن خوب و زمان کاری حدود ۳۰ 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 سامانه‌های پلی‌یورتانی از واکنش اجزای سازنده با آب، اوره و گاز دی‌اکسید کربن به وجود می‌آید که علت آن وجود MDI در فرمول است. این MDI با گروه‌های هیدروکسی در روغن کرچک که نوعی تری‌گلیسیرید اسید الکل چرب است، واکنش می‌دهد مخلوط سیمان – پلی یورتان پوشش سختی به وجود می‌آورد که می‌توان 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 می‌شود. در ضمن آهک مقداری از دی‌اکسید 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 می‌دهد. ملات مخلوطی از رزین‌های ویژه و جزء رنگز است که از سیمان و الیاف تشکیل می‌شود. الیاف انعطاف پذیری لازم را به پوشش داده و رشد ترک را کنترل می‌کند، ضمن آنکه استحکام کششی را بهبود می‌بخشد. استحکام کششی ترکیبات سیمانی مانند اکثر مواد سرامیکی کم، ولی استحکام فشاری آنها زیاد است. با افزودن الیاف با برخی از پلیمرها می توان ویژگی‌های رشد ترک را در پوشش کنترل کرد. وقتی سیمان با آب ترکیب می‌شود. یون‌های OH به تعداد فراوان تشکیل شده و PH شدیداً بالا می‌رود. اگر از این نوع پوشش‌ها برای پوشش‌دهی سطوح فولادی استفاده شود، محیط قلیایی حاصل فولاد را در برابر خوردگی محافظت می‌کند. درست مانند آنچه که در بتن‌های 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.

جمع بندی

استفاده از پلی‌یورتان‌ها، پلی‌اوره 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 می‌کنند. در آینده سامانه‌های 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 رزین‌های صنعتی بستگی دارد. طرح های نوین جالبی نیز برای سامانه‌های سیمانی اصلاح شده با پلیمرها به منظور حفاظت کف و سطوح فولادی وجود دارد. با ورود سامانه‌های جدید به بازار قدیمی‌ها از رده خارج می شوند و برای سامانه‌های جدید آینده‌ای روشن در پیش است.