Poliuretaan

Poliuretaan is 'n polimeer wat bestaan uit organiese eenhede wat deur karbamaat (uretaan) verbindings verbind word. Terwyl die meeste poliuretane polimere is wat nie smelt as dit verhit word nie (termohard), is poliuretane wat met hitte sag word (termoplasties) ook beskikbaar.

Poliuretaanpolimere word meestal gevorm deur 'n di- of tri-isosianaat met 'n poliöl^{[Nota 1]} te laat reageer. Aangesien poli-uretane twee soorte monomere bevat, wat een na die ander polimiseer, word hulle geklassifiseer as 'n afwisselende kopolimere. Beide die isosianate en poliöle wat gebruik word om poli-uretane te vervaardig, bevat gemiddeld twee of meer funksionele groepe per molekuul.

Poliuretane word gebruik vir die vervaardiging van plastiekskuimsitplekke met hoë veerkragtigheid, stewige skuim-isolasiepanele, mikrosellulêre skuimseëls en -pakkings, spuitskuim, duursame plastiese wiele en bande (soos op roltrappe, winkeltrollies, hysbakke en skaatsplankwiele), hoëwerkverrigtinggom, oppervlakbedekkings (soos bv. atletiekbane) en seëlmiddels, sintetiese vesels (bv. Spandex), tapytonderlaag, harde plastiekonderdele (bv. vir elektroniese instrumente), kondome, en tuinslange.

Bestanddele

Die belangrikste bestanddele om 'n poliuretaan te maak, is di- en tri-isosianate en poliöle. Ander materiale word bygevoeg om die polimeer te verwerk of om die eienskappe van die polimeer te verander. Katalisators word ook gebruik om die reaksies te bespoedig.

Isosianate

Hoof-artikel: Isosianaat

Poliuretane word vervaardig met molekules wat twee of meer isosianaatgroepe bevat. Die meesgebruikte isosianate is aromatiese diïsosianate soos tolueendiïsosianaat en metieleendifenieldiïsosianaat. Dit word gebruik om buigsame skuim (bv. vir matrasse of gevormde skuim vir motorsitplekke), onbuigbare skuim (bv. vir die isoleringskuim in yskaste), elastomere (bv. skoensole), ensovoorts te vervaardig.

Poliöle

Die poliöle vorm die skakels in die ketting tussen die isosianate. Poliöle met hoë molekulêre massa het meer buigsame poli-uretane tot gevolg, terwyl poliöle met 'n laer molekulêre massa meer onbuigbare produkte maak. Die eienskappe van die finale produk kan verander word deur die toevoeging van oksiede voor, tydens of na die toevoeging van die poliöle. Fyn verspreide polimere van stiereen, akrielnitril of poliurea word gebruik om die draende vermoëns te verhoog. Eteleendiamien en trietanolamien word gebruik om onbuigbare skuim met katalitiese einskappe te maak. Poliëters word gebruik om hoëwerkverrigtingbedekkings te maak. Vlamvertragende poliuretane kan gemaak word met die toevoeging van fosforbevattende poliöle.

Kettingverlengers en dwarsskakelers

Verbindings met 'n lae molekulêre massa wat hidroksiel- en amiengroepe bevat, word gebruik om kovalente bindings tussen seksies van die polimeer te vorm. Dit verhoed dat dele van die polimeer onder druk vloei, wat lei tot materiale wat stywer is en wat nie skeur nie. Dit kan ook die buigsaamheid, reaksies op hitte en chemiese weerstand van die finale produk beïnvloed.^[1]^[2]

Katalisators

Poliuretaankatalisators kan in twee breë kategorieë geklassifiseer word, basiese- en suuramiene. Die meeste katalisators funksioneer deur die neiging van die diol-komponent om 'n protonpaar te skenk om 'n binding te vorm, te versterk en sodoende die vorming van poliuretaan te versnel. Die keuse van katalisator beïnvloed die drie prosesse wat voorkom: die vorming van die uretaangel, die ureumvorming wat die gel opblaas en die isosianaat-trimering wat meer onbuigbaarheid tot gevolg het.^[3]^[4]

Oppervlakaktiewe stowwe

Dit is organiese verbindings wat die eienskappe van die polimere verander. Hulle kan die vloeibare komponente emulgeer, die selgrootte reguleer en die selstruktuur in skuim stabiliseer, of oppervlakdefekte soos pengate en sinkmerke uitskakel.

Vervaardiging

Die vervaardigingsmetodes van poliuretaan-eindprodukte volg die beginsels: meet die vloeibare isosianaat en harsmengsel met 'n bepaalde stoïgiometriese verhouding, meng dit saam totdat 'n homogene mengsel verkry is, giet die reagerende vloeistof in 'n vorm of op 'n oppervlak, wag tot dit gel, haal dan die voltooide deel uit die vorm.

Agteruitgang

Poliuretaan vervaardig met 'n aromatiese isosianaat wat verkleuring toon

Poliuretane, veral dié wat met aromatiese isosianate vervaardig word, bevat chromofore wat met lig in wisselwerking tree. Dit is veral van belang op die gebied van poliuretaanbedekkings, waar ligstabiliteit 'n kritieke faktor is en die hoofrede is dat alifatiese isosianate gebruik word in die vervaardiging van poliuretaanbedekkings. Wanneer poliuretaanskuim, wat met behulp van aromatiese isosianate vervaardig word, aan sigbare lig blootgestel word, verkleur dit en word van wit tot geel tot rooibruin. Afgesien van vergeling, het sigbare lig min effek op die skuim se eienskappe.^[5]^[6]

Geskiedenis

Nabyskoot van poli-uretaanskuim

Otto Bayer en sy kollegas by IG Farben in Leverkusen, Duitsland, het in 1937 vir die eerste keer poliuretane vervaardig.^[7] Die nuwe polimere het 'n paar voordele gehad bo bestaande plastiek wat vervaardig is deur olefiene te polimiseer, of deur polikondensasie.^[8] Vroeë werk wat gefokus was op die produksie van vesels en buigsame skuim. Poli-uretane is ook op 'n beperkte skaal toegepas as vliegtuigbedekking tydens die Tweede Wêreldoorlog.^[8] Poliïsosianate het in 1952 kommersieel beskikbaar geword, en die produksie van buigsame poliuretaan skuim het in 1954 begin met die gebruik van tolueen diisosianaat en poliëster poliöle. Hierdie materiale is ook gebruik om stewige skuim, rubber en elastomere^{[Nota 2]} te vervaardig. Lineêre vesels is vervaardig uit heksametileen-diïsosianaat en 1,4-butaandiol.

In 1956 het DuPont poliëterpoliöle, spesifiek poli(tetrametileeneter)glikol, bekend gestel en BASF en Dow Chemical het in 1957 polialkileenglikole begin verkoop. Poliëterpoliöle was goedkoper, makliker hanteerbaar en meer waterbestand as poliësterpoliöle, en het gewilder geword. Union Carbide en Mobay, 'n Amerikaanse Monsanto/Bayer-gesamentlike onderneming, het ook begin om poliuretaanchemikalieë te vervaardig.^[8] In 1960 is meer as 45 000 ton buigsame poliuretaanskuim vervaardig. Die beskikbaarheid van chloorfluoroalkaan-blaasmiddels, goedkoop poliëterpoliöle en metileendifenieldiïsosianaat het die gebruik van onbuigsame poliuretaanskium as hoëwerkverrigting-isolasiemateriaal toegelaat. In 1967 is onbuigsame skuim uit uretaan-gemodifiseerde poliïsosianuraat bekendgestel, wat selfs beter termiese stabiliteit en weerstand teen ontvlambaarheid bied. Gedurende die sestigerjare is veiligheidskomponente vir motorkarre, soos instrument- en deurpanele, vervaardig deur termoplastiese velle met half-buigsame skuim te vul.^[8]

In 1969 het Bayer 'n motorkar wat volledig uit plastiek vervaardig is in Düsseldorf, Duitsland, uitgestal. Dele van hierdie motor, soos die voorpaneel en bakpanele, is vervaardig met behulp van 'n nuwe proses genaamd reaksiespuitgietwerk, waarin die reaktante gemeng en dan in 'n vorm ingespuit is. Die toevoeging van vulstowwe, soos gemaalde glas, mika en verwerkte mineraalvesels, het aanleiding gegee tot versterkte reaksiespuitgietwerk, wat verbeterings in buigmodulus (styfheid), vermindering in die termiese uitbreidingskoëffisiënt en beter termiese stabiliteit gebied het. Hierdie tegnologie is gebruik om die eerste plastiekmotor in die Verenigde State, die Pontiac Fiero, in 1983 te vervaardig. Verdere verbetering in die styfheid is verkry deur voorafgeplaasde glasmatte in die reaksiespuitgietwerkvormholtes op te neem. Hierdie metode is bekend as harsinspuitgietvorming of strukturele reaksiespuitgietwerk.^[8]

Vanaf die vroeë tagtigerjare is mikrosellulêre skuim gebruik om pakkings vir motorpanele en lugfilterverbindings te vorm, wat polivinielchloried-polimere vervang het. Poliuretaanskuim het in die motorwêreld gewild geword en word nou ook gebruik in hoëtemperatuur-oliefiltertoepassings.^[8]

Aantekeninge

↑ 'n Poliöl is 'n organiese verbinding wat veelvuldige hidroksielgroepe bevat.
↑ 'n Elastomeer is 'n polimeer met sowel viskositeit as elastisiteit en met swak intermolekulêre kragte en 'n hoë vlak van vervorming (rekvermoë) voor fisiese mislukking in vergelyking met ander materiale.

Verwysings

↑ Blackwell, J.; Nagarajan, M. R.; Hoitink, T. B. (1981). "The Structure of the Hard Segments in MDI/diol/PTMA Polyurethane Elastomers". ACS Symposium Series (in Engels). Washington, D.C.: American Chemical Society. 172: 179–196. doi:10.1021/bk-1981-0172.ch014. ISBN 978-0-8412-0664-9. ISSN 0097-6156.
↑ Blackwell, John; Gardner, Kenncorwin H. (1979). "Structure of the hard segments in polyurethane elastomers". Polymer (in Engels). 20: 13–17. doi:10.1016/0032-3861(79)90035-1. ISSN 0032-3861.
↑ "Jeffcat Amine Catalysts for the Polyurethane Industry" (PDF) (in Engels). 2006. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 29 November 2007. Besoek op 9 April 2021.
↑ "Building quality with Air Products trimerisation catalysts" (PDF). 2003. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 29 November 2007. Besoek op 9 April 2021.
↑ "Discoloration of polyurethane foam" (PDF) (in Engels). Foamex Information sheet. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 24 September 2010. Besoek op 9 April 2021.
↑ Valentine, C.; Craig, T.A.; Hager, S.L. (1993). "Inhibition of the Discoloration of Polyurethane Foam Caused by Ultraviolet Light". Journal of Cellular Plastics (in Engels). 29 (6): 569–88. doi:10.1177/0021955X9302900605.
↑ Bayer, Otto (1947). "Das Di-Isocyanat-Polyadditionsverfahren (Polyurethane)". Angewandte Chemie (in Duits). 59 (9): 257–72. doi:10.1002/ange.19470590901.
↑ ^8,0 ^8,1 ^8,2 ^8,3 ^8,4 ^8,5 Seymour, Raymond B.; Kauffman, George B. (1992). "Polyurethanes: A class of modern versatile materials". Journal of Chemical Education (in Engels). 69 (11): 909. Bibcode:1992JChEd..69..909S. doi:10.1021/ed069p909.

[A-1] 'n Poliöl is 'n organiese verbinding wat veelvuldige hidroksielgroepe bevat.

[B-10] 'n Elastomeer is 'n polimeer met sowel viskositeit as elastisiteit en met swak intermolekulêre kragte en 'n hoë vlak van vervorming (rekvermoë) voor fisiese mislukking in vergelyking met ander materiale.

[Blackwell1-2] Blackwell, J.; Nagarajan, M. R.; Hoitink, T. B. (1981). "The Structure of the Hard Segments in MDI/diol/PTMA Polyurethane Elastomers". ACS Symposium Series (in Engels). Washington, D.C.: American Chemical Society. 172: 179–196. doi:10.1021/bk-1981-0172.ch014. ISBN 978-0-8412-0664-9. ISSN 0097-6156.

[Blackwell2-3] Blackwell, John; Gardner, Kenncorwin H. (1979). "Structure of the hard segments in polyurethane elastomers". Polymer (in Engels). 20: 13–17. doi:10.1016/0032-3861(79)90035-1. ISSN 0032-3861.

[Jeffcat-4] "Jeffcat Amine Catalysts for the Polyurethane Industry" (PDF) (in Engels). 2006. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 29 November 2007. Besoek op 9 April 2021.

[airproducts-5] "Building quality with Air Products trimerisation catalysts" (PDF). 2003. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 29 November 2007. Besoek op 9 April 2021.

[Disco-6] "Discoloration of polyurethane foam" (PDF) (in Engels). Foamex Information sheet. Geargiveer vanaf die oorspronklike (PDF) op 24 September 2010. Besoek op 9 April 2021.

[Valentine-7] Valentine, C.; Craig, T.A.; Hager, S.L. (1993). "Inhibition of the Discoloration of Polyurethane Foam Caused by Ultraviolet Light". Journal of Cellular Plastics (in Engels). 29 (6): 569–88. doi:10.1177/0021955X9302900605.

[Bayer-8] Bayer, Otto (1947). "Das Di-Isocyanat-Polyadditionsverfahren (Polyurethane)". Angewandte Chemie (in Duits). 59 (9): 257–72. doi:10.1002/ange.19470590901.

[Seymour-9] 8,0 ^8,1 ^8,2 ^8,3 ^8,4 ^8,5 Seymour, Raymond B.; Kauffman, George B. (1992). "Polyurethanes: A class of modern versatile materials". Journal of Chemical Education (in Engels). 69 (11): 909. Bibcode:1992JChEd..69..909S. doi:10.1021/ed069p909.

[Nota 1]

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[Nota 2]