Полиуретанска пена

Полиуретаните претставуваат една од најразновидните класи на полимери, со широка примена во различни индустрии. Овие материјали се истакнуваат со својата флексибилност, висока отпорност на удар и абење, одлични сврзувачки својства и извонредни електроизолациски карактеристики. Покрај тоа, нивната релативно ниска цена во споредба со другите термопластики ги прави исклучително атрактивни за инженерски и комерцијални апликации. Благодарение на нивната прилагодливост, полиуретаните се користат во сè, од меките пени за мебел и душеци до цврстите индустриски премази и лепила.

Видови на полиуретански пени

1. Крути (ригидни) полиуретански пени за термичка изолација на згради, ладилници, бојлери и цевки. Имаат затворена клеточна структура, што ги прави добри изолатори.

2. Меки (флексибилни) полиуретански пени за мебел (душеци, перници), автомобилски седишта и акустична изолација. Имаат отворена ќелијска структура, што ги прави еластични и удобни.

3. Спреј-пени за градежна изолација, запечатување пукнатини и звучна изолација. Брзо се шират и стврднуваат по нанесувањето.

Полиуретанoт е полимер составен од еден синџир на органски единици поврзани од уретански врски. Полиуретанските полимери се формираат со комбинирање на огромен број мономерни единици со различни функционални групи.

ROH + R'NCO → ROC(O)N(H)R'

Пронаоѓањето на полиуретанските полимери од страна на Ото Баер е во 1937 година во лабораториите на ИГ ФАРБЕН во Леверкузен, Германија, кога согледува дека со користење на принцип на полиадиција може да се произведат полиуретани од течни диизооцијанати и течни полиетери или полиестер диоли што укажувало на посебни можности, особено во споредба со веќе постоечките пластики. Полиуретаните се во класата на компоненти наречени реакциони полимери, кои вклучуваат епоксиди, незаситени полиестри и феноли. Уретанско поврзување е резултат од реакцијата на изоцијанат група, -N = C = O со хидроксилна група, -OH. Тие се произведени од страна на полиадиционата реакција на полизоцијанати со полиалкохол во присуство на катализатор и други адитиви. Во овој случај, полиизоцијанат е молекула со два или повеќе изоцијанат функционални групи, R -(N = C = O) n ≥ 2 a полиолската е молекула со две или повеќе хидроксилна функционална група, R'-(OH) n ≥ 2. Продукт е полимер кој содржи уретанска врска -RNHCOOR'-.

Првиот суштински компонент на полиуретанскиот полимер е изоцијанат.

RNH₂ + COCl₂ → RNCO + 2 HCl

Изоцијанат е функционална група со структура -N = C = O. Се разликува од цијанатните функционални групи, со структурата -О-С ≡ N, како и изоцијанати, со RN ≡ . Органски соединенија кои содржат изоцијанат група се наречени изоцијанати. Изоцијанат може да има повеќе од една изоцијанатна група. Изоцијанатите кои имаат две изоцијанатни групи се познати како диизоцијанати. Диизоцијанати се подготвени за реакција со полиоли во полиуретанското производство. Повеќето од изоцијанатите користат за производство на полимери. Првенствено, изоцијанатите реагираат со алкохоли за да создадат уретански врски во полимерот:

Реакцијата на изоцијанатната функционална група со вода резултира со формирање на нестабилна група на карбаминска киселина, која пак се распаѓа и ослободува амин и CO₂:

т.е конкретно

Овој амин потоа може да претрпи дополнителна реакција со други присутни изоцијанати за да произведе уреа:

Ослободувањето на CO₂ од реакцијата 2 може да дејствува како средство за дување во производството на полиуретанска пена и до одреден момент количината на додадена вода ќе биде обратно пропорционална со густината на пената. Добиената супституирана уреа потоа може да реагира со друг изоцијанат за да произведе биуретна врска:

Реакцијата на уретан со друг изоцијанат ќе произведе алофанат:

Изоцијанати, исто така, реагираат сами со себе на различни начини за да создадат димери, тримери и сосема нови функционални групи. Димеризацијата на два изоцијанати е реверзибилна реакција која произведува прстен на уретидион:

Тримеризацијата резултира со високо стабилен изоцијануратен прстен кој им дава дополнителна термичка стабилност на полиизоцијануратите:

Карбодиимидите се произведуваат со реакција на изоцијанати во присуство на катализатор (како што се фосфолинските оксиди):

Индустриско добивање на полиуретански пени

Изоцијанатите може да бидат класифицирани и како ароматични, како што се толуен диизоцијанат(TDI), дифенилметан диизоцијанат или алифатични, како што е хексаметилен диизоцијанат.

Полиолите се полимери на свој начин. Тие се формираат со додавање на пропилен оксид (PО), етиленоксид (ЕО) врз хидроксилна група, или кополиестерификација на дикиселина, како што е етилен гликол или дипропилен гликол(DPG). Полиолите формирани со полиестерификација се полиестерски полиоли.

За да започнеме, правиме полиуретани од два мономери, на диол и диизоцијанат. Со помош на мала молекула 1,4 диазобицикло (2,2,2) октан (DABCO), можеме да направиме овие два мономери промешани со DABCO да полимеризираат. DABCO е многу добар нуклеофил, и има пар на несврзувачки електрони кои бараат да се поврзат со јадра. Тоа е супстанца која ја регулира брзината на рекцијата и има молекулска формула C₆H₁₂N₂, бел кристален прав со температура на топење 160 ⁰С и на вриење 174 ⁰С, растворлив во вода и хигроскопен.

Полимеризацијата е катализирана од некои соединенија како диметилциклохексиламин, и органометални соединенија, како што e калај октаонат-(TIN). Kалај(II) октаонат (C₁₆H₃₀O₄Sn) е метална сол која се добива од калај(II) оксид и диетил хексанска киселина. Тоа е течност со жолта боја со густина од 1,251 gr/cm3 нa 25 ⁰С. Примарните реакции на флексибилните полиуретански пени се поделени во два дела:

А) Реакција на надувување

Тоа е реакцијата меѓу толуен диизоцијанатот(TDI) и H₂O при што се продуцира CO₂ и биурет. Добиениот CO₂ кој што е продуциран во примарната реакција е главниот извор на гас, кој всушност е причина за пената да го добие конечниот волумен. Формирањето на биурет (секундарна реакција) е преку поврзувачка реакција и го зазема последното место во процесот на пенење.

Брзината на надувувачката реакција или реакцијата на формирање на CO₂ е контролирана главно од степенот на аминскиот катализатор.

Б) Реакција на полимеризација

Оваа реакција е помеѓу TDI и полиолот, при што се продуцира уретан, што при својот пат се трансформира во алофанат за време на секундарната реакција. Првиот дел од реакцијата, формирањето на уретанот, зазема место за време на експанзијата на пената или со други зборови паралелно со експлозивната реакција(продукцијата на јаглерод диоксид) и брзината на реакцијата може да биде контролирана со степенот на застапеност на калајниот октаонат (TIN катализатор).

Сите основни компоненти се измерени според зададени квантитети. Сурфактантот ја прави мешливоста помеѓу сите компоненти. Мала количина на гас (воздух) е дисперзирана во мешавината.

Овие ситни меурчиња функционираат како стартна точка за надувувачката реакција. Околу 10-20 секунди по мешањето, првиот CO₂ дифузира во воздушните меурчиња и повеќе или помалку транспарентната смесаа се претвора во млечна течност. За време на понатамошната експанзија на растот на пената, вкупната површина на ќелијните ѕидови расте екстремно брзо. Силиконскиот сурфактант ја стабилизира пената за време на растењето и врши превенција да ќелиите не колабираат и не се соединат. Обично, околу 100-180 секунди по мешањето, гасната реакција почнува да се намалува (забавува) а реакцијата на полимеризација се забрзува, под дејство на топлината генерирана од надувувачката реакција. Притисокот во внатрешноста на ќелиите постигнува една точка каде пребрзо желатинираните ѕидови на ќелиите се кинат за време на овој висок притисок. Времeто кое е потребно за постигнување на полната висина се нарекува време на раст.

Механичките својства се под влијание на функционалноста и молекуларната форма. Изборот на диизоцијанати исто така влијае на стабилноста на полиуретанот по изложување на светлина. Полиуретаните направени со ароматични диизоцијанати се жолти со изложување на светлина, додека оние кои се направени со алифатични диизо- цијанати се стабилни.

Помеки, еластичени, и пофлексибилни полиуретани се резултат на линеарни дифункционални полиетилен гликолни сегменти, кои најчесто се нарекуваат полиетер полиоли, а се користат за креирање на уретански врски. Оваа стратегија се користи за да се направи спандекс еластомерни влакна и меки гумени делови.

Повеќе крути производи се резултат на користење на полифункционални полиоли, бидејќи создаваат тридимензионална структура на пена карактеризирана со ниска густина.

Под електронски микроскоп