فیلرهای گیاهی و پلیول مشتق شده از روغن دانه کلزا بعنوان مواد اولیه طبیعی در تولید فوم های پلی یورتان سخت
در این مقاله که به معرفی مواد خام تجدید پذیر در فرمولاسیون فوم های پلی یورتان سخت پرداخته است، برای توسعه پایدار کامپوزیت های پلیمری تلاش شده است. همچنین در اینجا، کامپوزیت های فوم پلی یورتان سخت با استفاده از 75 درصد وزنی پلیول مشتق شده از روغن دانه کلزا و 15 قسمت از هر صد بخش پلیول (php) فیلرهای طبیعی مانند تفاله چوک بری، دانه های تمشک، فندق و همچنین پوست گردو تهیه شد. تاثیر مواد خام به کار رفته بر فرایند فومینگ، ساختار و خواص فوم ها با استفاده از تکنیک آنالیز FOAMAT و انتخاب گسترده ای از تکنیک های تعیین خواص مورد بررسی قرار گرفت. معرفی مواد خام تجدید پذیر واکنش پذیری سیستم را محدود کرد که در نتیجه، حداکثر دمای فرایند فومینگ را کاهش داد. علاوه براین، فوم های تهیه شده با استفاده از مواد خام تجدید پذیر از خواصی همچون ساختار سلولی منظم تر، درصد بیشتر سلول های بسته، چگالی ظاهری کمتر، مقاومت فشاری و دمای انتقال شیشه پایین تر، شکنندگی پایین (کمتر از 2 درصد)، جذب آب کم (کمتر از 1 درصد)، پایداری ابعاد بالا (کمتر از 0.5 درصد) و افزایش پایداری حرارتی برخوردار هستند. انتخاب و آماده سازی بهینه مواد خام تجدید پذیر و بهبود ترکیب پلی یورتان امکان تولید محصولات فومی زیست سازگار با خواص کاربردی مفید را با توجه به نیازهای اقتصادی دورّانی در سنتز فوم های سخت فراهم می کند.
مفاهیم مطلوب توسعه پایدار شامل اقدامات کلیدی اقتصادی و زیست محیطی مرتبط با تبدیل پسماندها به مواد خام و کاهش اثرات جبران ناپذیر استخراج سوخت های فسیلی است که با افزایش محتوای مواد خام تجدید پذیر در تولید پلیمر می تواند تسهیل شود. بازار جهانی پلی یورتان (PU) که مبتنی بر مواد خام پتروشیمی است، در سال 2019 به ارزش 95.13 میلیارد دلار تخمین زده شد و پیش بینی می شود تا سال 2023 این رقم با نرخ سالانه 12 درصدی تا 149.91 میلیارد دلار افزایش یابد. بازار فوم های پلی یورتان بر بازار خود پلی یورتان مسلط است؛ به طوری که 67 درصد از بازار را به خود اختصاص داده است. دلایل اصلی بالا بودن تقاضای فوم های سخت پلی یورتان (RPUF) را می توان استحکام مکانیکی بالا، چگالی ظاهری کم، پایداری ابعادی بالا در محدوده دمایی وسیع، عایق حرارتی و صوتی عالی، بی اثر بودن فیزیولوژیکی، مقاومت در برابر آسیب قارچ ها و کپک ها، چسبندگی خوب، مقاومت در برابر شرایط آب و هوایی، حتی در دسترس بودن به اشکال مختلف نام برد که امکان استفاده از آنها را در صنایع مختلف مانند ساختمان، خودرو سازی، مبلمان، حمل و نقل هوایی و آرایشی فراهم می کند. یکی از رو شهای رعایت الزامات اقتصادی و قانونی مرتبط با حفاظت از محیط زیست، محدود کردن استفاده از مواد اولیه پتروشیمی در سنتز فوم های پلی یورتان با استفاده از پلیول های زیستی مشتق شده از روغن های گیاهی مختلف همچون کلزا، تانگ، سویا، پالم و همچنین بیوپلیول های تهیه شده از پسماند روغن های پخت و پز (WCO) و غیره است. این روغن ها ترکیبات و ساختار چند منظوره، مقرون به صرفه، زیست تخریب پذیر، غیر سمی و زیست سازگار دارند و در اکثر حلال های صنعتی هم محلول هستند. با این حال، مقالات مختلف نشان می دهند که در سنتز فوم های PU با استفاده از پلیول های طبیعی به دلیل ویسکوزیته بالا، گروه های عامل ثانویه (با واکنش پذیری نسبتا کم) و تعداد اندک هیدروکسیل مشکلاتی وجود دارد. در صورتی که پلیول های طبیعی در تولید پلی یورتان به ایزوسیانات واکنش نشان دهند، این خواص می تواند منجر به طولانی شدن زمان پخت شود.
علاوه براین، در مقایسه با فوم های PU تهیه شده از منابع پتروشیمی، ممکن است خواص پایین تری مانند ساختار سلولی ناهمگن، عدم کنترل چگالی ظاهری، پایداری ابعادی ضعیف و استحکام کم، دمای پایین انتقال شیشه و عدم سازگاری با تغییر شکل دائمی داشته باشند. تغییرات بیان شده ممکن است مزایای بالقوه استفاده از این پلیول های تجدید پذیر ارزان تر را رد کنند. بنابراین، محققان برای توسعه روش های کارآمد سنتز بیوپلیول و فرمول های فوم با هدف تولید بیوفوم هایی با خواص قابل مقایسه یا بهتر با آنالوگ های مبتنی بر منابع نفتی تلاش می کنند. برای مثال، جی و همکارانش گزارشی از تهیه فوم با استفاده از 25 درصد وزنی پلیول مشتق شده از سویا سنتز شده از روغن سویا اپوکسید شده از طریق باز کردن حلقه اکسیران ارائه دادند که منجر به بهبود خواص مکانیکی و حرارتی، به استثنای ثبات ابعادی شد. با این حال، با افزایش محتوای پلیول تهیه شده از سویا تا 50 درصد وزنی خواص فوم ها به دلیل چگالی پایین پیوند عرضی به دلیل مانع استریک بالا مرتبط با حضور حلقه های بنزن تشدید می شود.
نتیجه گیری
در این مقاله به بحث در مورد توسعه کامپوزیت های فوم پلی یورتان سخت با 75 درصد وزنی پلیول مشتق شده از روغن کلزا و 15 php از فیلرهای طبیعی همچون تفاله چوک بری، دانه های تمشک، فندق و پوست گردو پرداخته ایم. معرفی بسترهای تجدید پذیر منجر به کاهش واکنش پذیری مخلوط فومینگ شد که آن هم منجر به بروز حداکثر دمای پایین تر در فرایند فومینگ از 180 درجه سانتیگراد برای مواد اولیه با استفاده از بسترهای 100 درصد پتروشیمی تا 155 درجه سانتیگراد برای بیوفوم های پلی یورتان شد. علاوه براین، معرفی ترکیبات طبیعی هم باعث تشکیل موادی با ساختار سلولی منظم تر با سهم بیشتری از سلول های بسته شد. تفاوت های قابل در ساختار کامپوزیت ها بسته به نوع فیلر مورد استفاده مانند تفاوت در اندازه ذرات، شکل و میزان توسعه سطح مشاهده شد. با توجه تاثیر نرم کننده پلیول مشتق شده از روغن کلزا و همچنین کاهش چگالی طاهری فوم های اصلاح شده، امکان کاهش مقاومت فشاری مواد در پلیول پیش آمیخته فراهم شد. مقاومت فشاری کامپوزیت ها با فیلرهای طبیعی با مقاومت فشاری مشاهده شده در مواد حاوی پلیول گیاهی قابل قیاس بود. مواد تولید شده با استفاده از مواد خام تجدید پذیر دارای شکنندگی کمتر از 2 درصد، جذب آب کمتر از 1 درصد و پایداری ابعادی بالاتر از 0.5 درصد هستند. با جایگزینی 75 درصدی پلیول های پتروشیمی جذب آب کاهش یافته و بر عکس، پایداری ابعادی فوم ها افزایش یافت. جایگزینی ترکیبات طبیعی منجر به افزایش پایداری حرارتی فوم های توسعه یافته شد. همچنین استفاده از فیلرهای گیاهی در پلی یورتان به دلیل متفاوت بودن ترکیبات شیمیایی که دارند، باعث اختلاف در روند تجزیه حرارتی فوم ها شد. علاوه براین، وجود پلیول کلزا دمای انتقال شیشه را به حداقل رساند. معرفی فیلرهای طبیعی هم به نوبه خود به دلیل کاهش تحرک در بخش های سخت مواد، منجر به افزایش دمای انتقال شیشه شد. به طور کلی، نتایج حاصل از این مطالعه نشان می دهد که انتخاب و آماده سازی بهینه مواد خام طبیعی و همچنین بهبود ترکیب و روش سنتز RPUF امکان تهیه مواد زیست سازگار با خواص منحصر به فرد را در انطباق با اصول اقتصاد دورّانی در سنتز فوم های پلی یورتان فراهم می کند.
