تعادل بین واکنش فوم شدن و ژل شدن
چرا تعادل میان واکنش فوم شدن و ژل شدن مهم است
اگرچه ترکیبات حاوی گروه‌های هیدروکسیل و ایزوسیانات، تمایل زیادی به انجام واکنش با یکدیگر دارند، اما سرعت این واکنش به اندازه‌ای نیست که پاسخگوی نیازهای صنعتی باشد. بنابراین نیاز است تا همانند همه‌ی واکنش‌های رایج صنعتی، کاتالیست‌هایی استفاده شود تا زمان واکنش به اندازه‌ی مطلوب و دلخواه برسد.
برای سنتز فوم‌های پلیمری هم باید واکنش بین ترکیبات حاوی دی‌ایزوسیانات‌ها و پلی‌اُل‌ها تسریع شود و هم نیاز است تا واکنش بین ترکیبات حاوی دی‌ایزوسیانات‌ها و آب به عنوان عامل فوم‌زا در سامانه نیز، تسریع شود. علاوه بر تسریع سرعت واکنش، باید تناسب مطلوبی بین سرعت این دو واکنش (واکنش فوم شدن و ژل شدن) وجود داشته باشد تا محصول نهایی، خصوصیات قابل توجه را نیز داشته باشند.
کاتالیست‌های آلی یک ابزار بی‌نظیر برای تولید انواع پلیمرهاست که دامنه‌ی وسیعی از روش‌های مختلف سنتز پلیمرها را تحت پوشش خود قرار می‌دهند. اگر سنتز پلی یورتان درحلال رخ دهد، علاوه بر کاتالیزور، عواملی از قبیل میزان قطبیت، توانایی تشکیل پیوند هیدروژنی، ثابت دی‌الکتریک حلال و .. هم می‌توانند تاثیرگذار باشند.
کاتالیست‌های پلی‌یورتان از نوع کاتالیست‌های آلی هستند که می‌توان آن‌ها را در دسته‌های زیر طبقه‌بندی کرد:
- بازهای آلی
- ترکیبات آلی- فلزی
- اسیدهای آلی
بازهای آلی و ترکیبات آلی-فلزی استفاده بسیار بیشتری در صنعت دارند. بازهای آلی، غالباً بیشتر واکنش بین آب و دی‌ایزوسیانات و ترکیبات آلی-فلزی بیشتر واکنش بین الکل و دی ایزوسیانت را تسریع می‌کنند. به همین دلیل معمولاً مخلوطی از این دو در سامانه‌های پلی یورتان استفاده می‌شود. البته ممکن است کاتالیست‌هایی در هر دسته موجود باشند که رفتار بینابینی از خود نشان دهند.
مقدار کاتالیست مورد استفاده هم مورد بسیار کلیدی و مهم است، چرا که می‌تواند تعادل بین شبکه‌ای شدن پلی‌یورتان و افزایش زنجیره را از بین ببرد و در نتیجه پایداری هیدرولیکی محصول کاهش می‌یابد. این نکته هم قابل توجه است که نوع فرآیند مورد نظر در میزان سرعت کاتالیست بسیار تاثیرگذار است، برای مثال در فرآیند قالب‌گیری تزریقی واکنشی، نوع و سرعت کاتالیست مورد استفاده با کاتالیست مورد استفاده در پلی یورتان قالب گیری متفاوت است.
برای سنتز فوم پلی‌یورتان نیاز است تا بین سرعت واکنش فوم شدن و ژل شدن یک تعادل و تناسب منطقی وجود داشته باشد. هر کدام یک از این واکنش‌ها خیلی تند و یا کند باشد، یا منجر به سنتز فوم نمی‌شود و یا خواص نامناسبی در آن ایجاد می‌کند. نمودار 1، که توسط شرکت توسو ارائه شده است، مقایسه‌ی ثابت سرعت واکنش فوم شدن به واکنش ژل شدن برای تعدادی از کاتالیست‌های مطرح پلی یورتان را نشان می‌دهد.
بزرگ و کوچک بودن دایره‌ها معیاری از توانایی ایجاد شبکه‌سازی کاتالیست است. نسبت ثابت سرعت واکنش فوم شدن به ژل شدن در فوم‌ها، بسیار کلیدی است. این نسبت برای کاتالیست تری‌اتیلن دی‌آمین برابر 34/1 است. برای رسیدن به نسبت‌های نزدیک به یک یا باید از کاتالیست‌هایی مانند تری‌اتیلن دی‌آمین استفاده، که نزدیک به نیمساز محور افقی و عمودی نمودار 1 قرار دارند، استفاده کرد و یا باید از مجموع چند کاتالیست، تعادل بین این دو واکنش را در سامانه ایجاد کرد. هم‌چنین بررسی‌های سینتکی دیگری که بر روی کاتالیست‌ها انجام می‌شود، سرعت واکنش‌های شبکه‌ای شدن از جمله سرعت تشکیل گروه‌های بایروت، ایزوسیانورات و آلوفنات است، که تحت شاخصه‌ی فعالیت شبکه‌ای کردن یک کاتالیست قلمداد می‌شوند.
ایزوسیانورات و آلوفنات است، که تحت شاخصه‌ی فعالیت شبکه‌ای کردن یک کاتالیست قلمداد می‌شوند.
نتیجه‌ی متعادل بودن و یا غالب شدن سرعت هر یک از این دو دسته واکنش مذکور را در نمودار 2 می‌توان مشاهده کرد. اگر فعاالیت کاتالیست برای تسریع واکنش فوم شدن زیادتر شود، اندازه‌ی سلول‌ها، یک‌دست بودن آن‌ها و جریان‌پذیری ماده در هنگام قالب گیری و .. افزایش می‌یابد و اگر فعاالیت کاتالیست برای تسریع واکنش ژل شدن زیادتر باشد، چسبندگی، پایداری ابعادی، دانسیته و زمان کرمی شدن افزایش می‌یابد.
در حالت کلی در سامانه‌ی فوم پلی‌یورتان، اگر سرعت واکنش فوم شدن خلی زیاد باشد، کربن دی‌اکسید قبل از تشکیل زنجیره‌های پلیمری تولید می‌شود، در نتیجه سلول‌های بدون استحکام، متلاشی می‌شوند و فوم پلی یورتان کیفیت خود را از دست می‌دهد. اگر سرعت واکنش ژل شدن خیلی زیاد باشد، مجدداً کیفیت نهایی کاهش می‌یابد؛ زیرا کربن دی اکسید بعد از تشکیل کامل زنجیره‌ها تولید می‌شود و یک فوم با دانسیته‌ی بالا، سلول‌های ضعیف و مستعد کاهش حجم تشکیل می‌شود
گردآوری، ترجمه و تالیف: واحد تولید محتوای گروه صنعتی مکرر – محمد رضا کریمی
منابع:
- Sardon, H. & Pascual, A. & Mecerreyes, D. & Taton, D. Cramail, H. & Hedrick, J. (2015). Synthesis of Polyurethanes Using Organo-catalysis: A Perspective. American Chemical Society. https://10.1021/acs.macromol.5b00384
- Hepburn, C. Polyurethane Elastomers. Second Edition. London: ELSEVIER APPLIED SCIENCE; 1991. P 1-28.
- Tamano,Y. & Yoshimura, H. (2004). Polyurethane Catalysis by Tertiary Amines, Journal of Cellular Plastics. https://doi.org/10.1177/0021955X05055113
- Wendel, S. & Aghaei, R. (2002). Acid-Blocked Amine Catalysts for the Production of Polyurethane. Air Products and Chemicals, Inc. (U.S. Patent No. 6,432,864 B1). https://patents.google.com/patent/EP1249461B1/en
- Tobias, J. & Bennett, J. & Andrew, G. & Dewhurst, J. (1999). Dimensional Stabilizing, .Cell Opening Additive for Polyurethane Flexible and Rigid Foams. Air Products and Chemicals, Inc. (European Patent No. EP0965608 A2). https://patents.google.com/patent/US6046249A/en
دیدگاهتان را بنویسید