پلی یورتان خالص و پلی یورتان با پایه روغن کرچک

سنتز و تعیین خواص پلی یورتان خالص و پلی یورتان با پایه روغن کرچک

در این مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی پلی یورتان با عملکرد بالا سنتز شده از پلی پروپیلن گلیکول (PPG) در مقایسه با ترکیب PPG و روغن کرچک با استفاده از تکنیک پلیمریزاسیون درجا مورد بررسی قرار گرفته است. تغییر در خواص هر دو نوع پلی یورتان با روش اسپکتروسکوپی FT-IR، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)، پراش اشعه ایکس (XRD) و تکنیک آنالیز ترموگراویمتری (TGA) ارزیابی می شوند. استحکام کششی نیز با تجهیزات تست کشش فیلم مورد برسی قرار گرفت. نتایج به دست آمده از این مطالعه نشان دهنده کشش بالای CH در پلی یورتان ترکیب شده با روغن کرچک دارای پایداری حرارتی اکسیداتیو بیشتر نسبت به پلی یورتان های PPG خالص بود. همچنین مشخص شد که خواص کششی در پلیمرهای خالص و مخلوط تقریبا قابل مقایسه بوده و بیانگر استفاده از پلیمرهای مخلوط در آینده با هدف غلبه بر بحران زیست محیطی و اقتصادی در سنتز پلی یورتان است.

پلی یورتان ها (PU) به دلیل دارا بودن خواص فیزیکی عالی (مانند انعطاف پذیری کم، استحکام کششی بالا، مقاومت در برابر پارگی و سایشی، مقاومت در برابر حلال ها و غیره) و تطبیق پذیری بالا در ساختار شیمیایی کاربرد گسترده ای دارند. پلی یورتان اساسا از واکنش ایزوسیانات با پلیول سنتز می شود. پلی پروپیلن گلیکول (PPG) یک پلیول مشتق شده از صنعت پتروشیمی است. با توجه به افزایش هزینه های مواد اولیه پتروشیمی و افزایش علاقه عمومی به محصولات سبز زیست سازگار، بایستی تحقیقات بیشتری در مورد استفاده از منابع تجدید پذیر برای تولید پلی یورتان سفت و سخت انجام شود. پلی یورتان با پایه پلیول از روغن های گیاهی مختلفی مانند روغن کرچک، آفتابگردان و کلزا به دست می آید. روغن کرچک یکی از اصلی ترین روغن های گیاهی طبیعی حاوی گروه های هیدروکسیل است که به همین دلیل در بسیاری از صنایع شیمیایی، به ویژه تولید PU استفاده فراوانی دارد. سنتز نانوکامپوزیت های PU از روغن طبیعی مانند روغن کرچک، با استفاده از HMDI، خاک رس اصلاح شده ارگانیک و کامپوزیت PU/n-HMDI با پیوند کووالانسی تهیه می شود که در ادامه، از طریق فرایند الکتروریسی با موفقیت جمع آوری می شود. در اینجا، آماده سازی روغن کرچک و افزایش گروه های دی ایزوسیانات در رابطه با مقدار پلیول بررسی شده است که علاوه بر افزایش استحکام درهم تنیدگی پلیمرهای به دست آمده، ازدیاد طول آنها را کاهش داده و در نتیجه، مدول افزایش یافت. مجموعه ای از نانوکامپوزیت های PU با زنجیره بوتان دیول 4-1 توسعه یافته بر پایه روغن کرچک و دی فنیل متان ایزوسیانات 40-4 (MDI) با خاک رس اصلاح شده بعنوان فیلر سنتز شدند. در اینجا، PU خالص و PU با پایه روغن کرچک سنتز شدند. سپس، تغییرات رفتاری در خواص فیزیکی و شیمیایی PU ساخته شده از مخلوط پلیول های متشکل از PPG و روغن کرچک دی هیدراته (15 درصد) ازطریق پلیمریزاسیون درجا با هم مقایسه شدند.

تجزیه و تحلیل FTIR

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، ساختارهای ریز دامنه PU خالص و PU با پایه روغن کرچک با استفاده از روش FTIR آنالیز شدند.

شکل 1:

باند کوچکی در حدود 3500-4000 سانتیمتر در نمونه های ارتعاش کششی O-H ترکیبات نهایی با آب یا هیدروکسیل و ارتعاشات کششی N-H هم از گروه اوره و هم از گروه آمین مشاهده شد. پیک کششی CH-CH₃ در PU با پایه روغن کرچک بیشتر محسوس است تا PU خالص که ممکن است به دلیل زنجیره های آلی بزرگتر موجود در PU با پایه روغن کرچک باشد. پیک 1727 سانتیمتری نشان دهنده پلی یورتان غیر پیوندی است که احتمالا در تعداد بیشتری از سنتزهای PU با پایه روغن کرچک وجود دارد.

تحلیل TGA

در شکل زیر پایداری حرارتی PU خالص و PU با پایه روغن کرچک در شرایط یکسان و مقایسه کاهش وزن آنها نشان داده شده است.

شکل 2:

پایداری حرارتی این پلیمرها معمولا از دمای 200 درجه سلسیوس شروع می شود. با توجه به شکل زیر، می توان مشاهده کرد که دمای شروع تجزیه برای پلی یورتان خالص و پلی یورتان مخلوط شده با کرچک به ترتیب 250 و 235 درجه سلسیوس است.

شکل 3:

در دمای 400 درجه تقریبا 85 درصد از پلی یورتان خالص تجزیه شد، در حالی که پلی یورتان با پایه روغن کرچک کمتر از 80 درصد تجزیه را نشان داد که ممکن است به دلیل شرایط متفاوت پلیول در مخلوط با روغن کرچک باشد به نوبه خود ممکن است به دلیل وجود پلیول های کم هیدروکسیل در فرمولاسیون، پایداری حرارتی نمونه های پلی یورتان با پایه روغن کرچک را بهبود بخشد. پایداری حرارتی کلی PU ها با افزایش محتوای سفت و سخت کاهش نسبی داشت که با این دسته از یافته ها مطابقت دارد که پلی یورتان با پایه روغن های گیاهی پایداری حرارتی اکسیداتیو بهتری نسبت به پلی یورتان با پایه PPG دارد.

بررسی XRD در پلی یورتان

الگوهای XRD در پلی یورتان و COPU در شکل زیر ارائه شده اند.

شکل 4:

الگوهای XR در پلی یورتان خالص به دلیل وجود کریستال های PPG در بخش های نرم نشان دهنده دو پیک 20.03 و 28.77 هستند. همچنین به دلیل تفاوت در ساختار شیمیایی بخش های نرم، من جمله حضور مونوگلیسرید و دی گلیسرید، حضور COPU خالص با پیک 20.42 مشاهده شد. علاوه براین، علاوه بر دی ایزوسیانات موجود در پلی یورتان با پایه روغن کرچک، واکنش برای ایجاد پیوند یورتان بین گروه های دی ایزوسیانات و هیدروکسیل ادامه می یابد. این داده ها در شکل بالا و جدول زیر ارائه شده اند.

جدول 1:

نتیجه گیری

نتایج حاصل از این مطالعه خواص فیزیکی و شیمیایی بهبود یافته پلی یورتان های مخلوط شده با روغن کرچک را با پلی یورتان با پایه PPG مقایسه می کند. وجود زنجیره های آلی بزرگتر در پلی یورتان مخلوط شده با روغن کرچک منجر به پایداری حرارتی اکسیداتیو بیشتری در مقایسه با پلی یورتان های مخلوط شده با PPG می شود. تشکیل سلولی کندتر نیز در نمونه های مخلوط مشاهده شد که سنتز کنترل شده ای را نشان می دهد. مطالعات بیشتری برای افزایش خواص مکانیکی با استفاده از نانوفیلرها انجام خواهد شد. با توجه به خواص مکانیکی، افزایش ازدیاد طول در حین شکست مشاهده شد در حالی که مقاومت کششی در مقایسه با پلی یورتان های خالص کاهش داشت. COPU ها بهبود 21 درصدی در ازدیاد طول در حین شکست را نشان دادند در حالی که استحکام کششی به 35 درصد کاهش یافت که در بررسی مقایسه ای تنش-کرنش پلی یورتان خالص و COPU محاسبه شد.