تاریخچه فوم پلی یورتان

دسته: مقالات منتشر شده در 07 آذر 1400
نوشته شده توسط Admin بازدید: 763

مروری بر فوم های پلی یورتان: گذشته، حال و آینده

فوم های پلیمری را میتوان به دلیل خواص مفید آنها در مقایسه با مواد مشابه تقریبآ در همه جا یافت. احتمالآ مهمترین دسته از فوم های پلیمری فوم های پلی یورتان (PU) هستند زیرا چگالی کم و هدایت حرارتی آنها همراه با خواص مکانیکی عالی آنها را به عایق های حرارتی- صوتی و همچنین مواد ساختاری تبدیل می کند. علیرغم طیف وسیعی از کاربردها، تولید این فوم ها هنوز هم به شدت به نفت وابسته است؛ بنابراین این صنعت بایستی خود را با مقررات سختگیرانه تر و مصرف کنندگان دقیق تر وفق دهد. از این نظر، مواد اولیه و فناوری های فرایندی تثبیت شده می توانند در آینده نزدیک با نقطه عطفی مواجه شوند زیرا به استفاده از مواد خام تجدیدپذیر و فناوری های فرایندی جدید مانند چاپ سه بعدی نیاز است. در این کار، جنبه های کلیدی تولید PUF بررسی می شود؛ چالش های جدیدی که انتظار می رود صنعت PUF با توجه به فرایندهای پیشرو در آینده نزدیک با آن مواجه شود، تشریح شده و جایگزین های مناسبی نیز ارائه شده است. در ادامه، استراتژی های بهبود پایداری PUF ها من جمله بازیافت و افزایش خواص آنها مورد بحث قرار می گیرد.

 

موادی مانند فوم های پلاستیکی، پلاستیک های فوم دار، پلاستیک های سلولی یا فوم های پلیمری موادی هستند که از یک فاز جامد و یک فاز گاز تشکیل شده اند. فوم های پلیمری می توانند سفت، انعطاف پذیر یا الاستومری باشند که در برگیرندۀ طیف وسیعی از پلیمرها مانند پلی یورتان (PU)، پلی استایرن (PS)، پلی ایزوسیانات (PIR)، پلی اتیلن (PE)، پلی پروپیلن (PP)، پلی اتیلن وینیل استات (PEVA)، نیتریل لاستیک (NBR)، پلی وینیل کلراید(PVC) یا دیگر پلی الفین ها هستند. بازار جهانی فوم های پلیمری در سال 2015 بیش از 100 میلیارد دلار ارزش داشت؛ فروش بیش از 22 میلیون تن و مصرف 25.3 میلیون تن تا سال 2019 پیش بینی می شود. از آنجایی که این فوم ها مواد سبک وزنی هستند و خواص آنها به راحتی قابل تنظیم است، اولین انتخاب در حوزه های بسته بندی، خودرو، الکترونیک، مبلمان، کفش، هوافضا، اسباب بازی یا مصالح ساختمانی محسوب می شوند. PUF ها معمولآ کاربردهای راحت تری همچون عایق های حرارتی یا صوتی دارند. اولین یورتان در سال 1849 توسط ورتز سنتز شد؛ پس از آن، در سال 1937 اوتو بایر PU را از واکنش بین دی ال پلی استر و دی ایزوسیانات سنتز کرد. در واقع، این یک پیشرفت بزرگ در آن زمان بود زیرا کلاس جدیدی از واکنش پلیمریزاسیون به نام پلی ادیشن یا همان پلیمریزاسیون مرحله ای معرفی می کرد. اما با این وجود در ابتدا، این پلیمر کاربرد چندانی نداشت.PU ها پلیمرهایی هستند که از واکنش بین گروه های OH (هیدروکسیل) در یک پلی ال با گروه های NCO (گروه عامل ایزوسیانات) در یک ایزوسیانات تشکیل می شوند و نام آنها با پیوند یورتان حاصل شده مرتبط است. این واکنش گرمازا است و منجر به تولید گروه های یورتان می شود. امروزه پلی یورتان ها در زندگی روزمره کاربرد بسیاری دارند و یکی از مهمترین دسته پلیمرهایی هستند که کیفیت زندگی انسان را تغییر می دهند. مصرف جهانی آن در سال 2017 حدود 60.5 میلیارد دلار ارزیابی شد و پیش بینی می شد تا سال 2021 این رقم به بیش از 79 میلیارد دلار برسد. در سال 2016، مصرف جهانی پلاستیک تقریبآ 9 درصد بود. علاوه براین، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، مصرف اصلی PU ها به شکل فوم است.

 

شکل 1:

 Global consumption of polyurethane PU in 2016

 

اگرچه PUF ها عمدتآ بعنوان مواد مناسبی برای عایق بندی حرارتی و یا صوتی استفاده می شوند، میتوان از آنها در زمینه های دیگری نیز استفاده کرد اما خواص آنها را بایستی ارتقا داد. PU به دلیل داشتن خواصی همچون زیست سازگاری، پایداری زیستی و خواص مکانیکی می تواند در حوزه زیست پزشکی کاربرد داشته باشد. در واقع، در دهه 1950 برای اولین بار در این حوزه معرفی شدند؛ زمانی که پانگمن یک پروتز کامپوزیتی پستان با پوشش پلی استر PUF تولید کرد. بعدها، ماندارینو و سالواتوره از PUF سفت و سخت برای تثبیت استخوان در محل استفاده کردند. در دهه 1960، بیومر از یک ماده الاستومری در کاربردهای قلبی عروقی استفاده کرد. از آن زمان، PUF ها بعنوان کاتترهای وریدی مرکزی، پیوند عروقی، دریچه های قلبی، پروتزهای پستان، ایمپلنت های چشمی و یا سیستم دارورسانی مورد استفاده قرار گرفتند. با این وجود، هر ماده ای برای کاربردهای زیست پزشکی بایستی از زیست سازگاری بالایی برخوردار باشد. از این نظر، زیست سازگاری PUF ها بطور گسترده هم در مقالات برون تنی و درون تنی مورد ارزیابی قرار گرفته است. با این حال، پایداری زیستی PU ها یک مسئله مهم است زیرا PUهای بر پایۀ پلی استر در محیط های آبی و اکسیژن پایدار نیستند و حتی موارد بر پایه پلی اتر نیز در داخل بدن پایدار نیستند. با این حال، بهبود پایداری زیستی PU ها با استفاده از پلی سیلوکسان ها و پلی الفین های پایدارتر انجام شده است. همچنین اصلاح سطح آنها نیز میزان استفاده از PUF ها را در زیست پزشکی و همچنین سیستم دارورسانی، داربست ها یا استنت ها در مهندسی بافت نرم، جذب سیالات بیولوژیکی و فیلترهای هوای بیوکاتالیستی با مقاومت  pHبالا، مقاوم در برابر حلال ها یا دماهای بالا افزایش داده است. امروزه، از PUF ها در کاربردهای الکتریکی بعنوان مواد رسانا یا عایق استفاده می شود. برای مثال آرگین و همکارانش استحکام دی الکتریک سه فوم مختلف را با استفاده از ولتاژهای ضربه ای AC و لایتنینگ در شرایط مرطوب و دماهای مختلف مورد بررسی قرار دادند. نتایج حاصل از آن نشان داد که PUF ها دو تا سه برابر قدرت دی الکتریک بهتری نسبت به هوا ارائه می دهند. با این حال، برای برخی از کاربردها به افزایش رسانایی الکتریکی نیاز است.

امروزه گرایش روزافزون به الکترونیک مانند ارتباطات، محاسبات یا اتوماسیون باعث افزایش تداخل های الکترومغناطیسی (EMI) شده است که در نتیجه، منجر به افزایش آلودگی می شود. برای کاهش این آلودگی، کامپوزیت های PUF رسانا یکی از بهترین گزینه ها بعنوان محافظ EMI هستند. همچنین برای افزایش این خواص نیز میتوان از فیلرهای مختلف استفاده کرد. جی کیم و همکارانش رسانایی الکتریکی و اثر حفاظتی EMI در PUF های سفت و سخت پر شده با الیاف کربن عایق بندی شده با نیکل را بررسی کردند و طبق گزارشات آنها، این کامپوزیت از خود هدایت الکتریکی و اثر حفاظتی بالایی از تداخل الکترومغناطیسی نشان داد.

 

PUF ها دسته ای از مواد متخلخل سبک وزن هستند که با توجه به کاربردهای گسترده شان، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. به دلیل داشتن خواصی همچون چگالی کم، رسانای حرارتی کم و خواص مکانیکی خوب عمدتآ بعنوان عایق های حرارتی/ صوتی و همچنین مصالح ساختمانی استفاده می شوند. با این وجود، بایستی خواص آنها را با کمک فناوری های جدید یا تولید کامپوزیت های PUF تقویت کرد. ازطرفی، تولید این کامپوزیت ها به شدت به نفت وابسته است و با توجه به محدودیت های نفتی، بایستی مواد خام جایگزین بدست آمده از منابع تجدیدپذیر در سطح صنعتی را برای این منظور در نظر بگیریم. استفاده از فناوری های فرایندی جدید و پیشرفت های بیشتر در پایداری این کامپوزیت ها میتواند اثرات قابل ملاحظه ای در آینده نزدیک داشته باشد. بنابراین، صنعت PUF بایستی برای غلبه بر این مشکلات و در عین حال، استفاده از فرصت های بالقوه آمادگی داشته باشد.