ما هو البولي يوريثان؟

البولي يوريثان (PU) مجموعة من أنواع البلاستيك (البوليمرات) تتكوّن عند تفاعل مكوّنين سائلين هما البوليول والإيزوسيانات. وبتغيير نوع المكوّنين ونسبتهما، تعطي الكيمياء نفسها إسفنجًا طريًّا للتنجيد، أو رغوة عزل صلبة، أو طلاءً مرنًا، أو قطعة مقولبة متينة. ولهذا يأتي إسفنج المراتب وألواح غرف التبريد وعزل الثلاجة من عائلة المواد نفسها.

1. كيف يتكوّن البولي يوريثان

يُصنع البولي يوريثان من مادتين أوليتين رئيسيتين: البوليول والإيزوسيانات. والبوليول جزيء يحمل مجموعتين أو أكثر من مجموعات الهيدروكسيل (OH). أما الإيزوسيانات فهو في الغالب MDI أو TDI، ويحمل مجموعتين أو أكثر من مجموعات NCO التفاعلية. وعند خلط المادتين يبدأ تفاعل طارد للحرارة تتكوّن فيه روابط يوريثان تربط الجزيئات بعضها ببعض. ومن هذه الرابطة يأخذ البوليمر اسمه، ويُكتب الاسم أيضًا «البولي يوريثين».

نظام ثنائي المكوّن: المكوّن A والمكوّن B

في الصناعة يُورَّد البولي يوريثان عادةً على هيئة نظام ثنائي المكوّن. وفي أوروبا وتركيا يكون المكوّن A في الغالب خليط البوليول الجاهز مع المحفّزات والمواد الخافضة للتوتر السطحي وعوامل النفخ وسائر المواد المضافة، ويكون المكوّن B هو الإيزوسيانات المتوافق مع ذلك الخليط. أما في أمريكا الشمالية فكثيرًا ما يُعكس معنى الحرفين، ولذلك اتبعوا دائمًا ما تحمله الملصقات على البراميل ونشرات البيانات. وتقوم آلة معايرة بخلط المكوّنين بنسبة محددة، ثم تضخّ الخليط في قالب، أو على خط إنتاج الألواح، أو مباشرةً على السطح المراد عزله.

كيف تتكوّن الرغوة

يجري تفاعلان في وقت واحد عند تصنيع الرغوة. ففي تفاعل التهلّم يبني البوليول والإيزوسيانات شبكة البوليمر. وفي تفاعل النفخ يتفاعل الإيزوسيانات مع الماء ويطلق غاز ثاني أكسيد الكربون. ويحوّل هذا الغاز، مع أي عامل نفخ فيزيائي في النظام (مثل البنتان أو HFO)، الخليط السائل إلى رغوة. والتوازن بين التفاعلين هو الذي يحدد بنية الخلايا وكثافة الرغوة. أما الأمين الناتج في تفاعل النفخ فيتفاعل مع مزيد من الإيزوسيانات ويكوّن روابط يوريا، ولذلك تحتوي معظم الرغوات على بعض مجموعات اليوريا إلى جانب مجموعات اليوريثان.

لماذا تعطي كيمياء واحدة منتجات كثيرة

السلاسل الطويلة المرنة للبوليول تعطي منتجات طرية تستعيد شكلها. أما البوليولات القصيرة شديدة التفرّع فتبني بنية صلبة متشابكة بإحكام. وأي تغيير بسيط في التركيبة يغيّر مباشرةً الكثافة والصلابة وقيمة العزل وزمن المعالجة. ولهذا يوصف البولي يوريثان بأنه نظام يُضبط لكل تطبيق، وليس منتجًا واحدًا. ويشرح دليلنا البوليول والإيزوسيانات المادتين الأوليتين بمزيد من التفصيل.

نبذة تاريخية موجزة

صُنع البولي يوريثان لأول مرة عام 1937 على يد Otto Bayer وزملائه في شركة IG Farben في Leverkusen بألمانيا. واستُخدم على نطاق محدود خلال الحرب العالمية الثانية، مثلًا كطلاء للطائرات، ثم اتسع استخدام الرغوات الصلبة والإيلاستومرات والمواد اللاصقة والرغوات المرنة في خمسينيات القرن العشرين. وهو اليوم من أهم أنواع البلاستيك: فقد بلغ الإنتاج العالمي نحو 25 مليون طن في عام 2019، أي نحو 6% من مجمل البوليمرات.

2. أنواع البولي يوريثان

في الحديث اليومي يُقصد بـ«البولي يوريثان» عادةً إما إسفنج التنجيد وإما رغوة العزل. لكن الكيمياء نفسها تشمل مجموعات منتجات شديدة الاختلاف:

رغوة البولي يوريثان المرنة (الإسفنج)

رغوة طرية مفتوحة الخلايا تستعيد شكلها بعد الضغط، وتُستخدم في الأثاث والمراتب ومقاعد السيارات. وتُصبّ إما على شكل بلوكات كبيرة (الإسفنج الكتلي، slabstock) ثم تُقطع، وإما داخل قالب يمنحها شكلها. وتتراوح كثافتها بحسب التطبيق من نحو 10 إلى 300 كغ/م³.

تُصنع الرغوة المرنة من بوليولات البولي إيثر أو البولي إستر. وبصورة عامة تقاوم أنواع البولي إيثر الماء بصورة أفضل، بينما تقاوم أنواع البولي إستر المذيبات والتآكل بالاحتكاك بصورة أفضل. أما الكثافة فهي كتلة الرغوة لكل متر مكعب (كغ/م³). وهي وحدها لا تصف مدى صلابة الرغوة، لأن الصلابة تُقاس على حدة (مثلًا بقياس الانغراس، ISO 2439)، ولذلك قد تعطي رغوتان لهما الكثافة نفسها إحساسًا مختلفًا.

الإسفنج اللزج المرن (الميموري فوم)

إسفنج مرن يستعيد شكله ببطء بعد الضغط عليه. ولأنه يتشكّل وفق شكل الجسم، يُستخدم في المراتب والمخدات والوسائد الطبية.

رغوة البولي يوريثان الصلبة: PUR وPIR

رغوة خفيفة معظمها مغلق الخلايا وذات قيمة عزل عالية. وتُستخدم في ألواح الساندوتش بانل وألواح غرف التبريد والثلاجات وصناديق الشاحنات المبردة وخزانات المياه الساخنة. أما PIR (البولي إيزوسيانورات) فرغوة صلبة تُصنع بكمية إضافية من الإيزوسيانات تكوّن بنى حلقية، وهي أكثر ثباتًا عند التعرض للحرارة. ويختلف النوعان في نسبة الإيزوسيانات إلى البوليول (المؤشر): فيُصنع PUR عند مؤشر قريب من 100، وPIR عند مؤشر أعلى بكثير، يتجاوز عادةً 180. ولا يحدد الاسم وحده فئة الحريق، فهذه الفئة ترد في تقرير تصنيف المنتج. ويقارن بين النوعين دليلنا الفرق بين PIR وPUR.

رغوة البولي يوريثان بالرش

يُرشّ المكوّنان في الموقع بآلة خاصة، وترتفع الرغوة خلال ثوانٍ. وعلى الأسطح والواجهات والمستودعات تشكّل طبقة عزل متصلة بلا وصلات أو بوصلات قليلة.

رغوة الجلد المتكامل

نظام يكوّن قشرة خارجية كثيفة وقلبًا رغويًا أخف في صبّة واحدة داخل القالب. ويُستخدم في عجلات القيادة ومساند الذراعين وقطع الأثاث والمنتجات الزخرفية.

الإيلاستومرات والطلاءات والمواد اللاصقة

يُستخدم البولي يوريثان أيضًا في أشكال ليست رغوات: قطع إيلاستومر مقاومة للتآكل مثل العجلات والأسطوانات، وطلاءات الأرضيات والأسطح، والمواد اللاصقة ومواد الإحكام (السيلانت). ويدخل في العائلة نفسها البولي يوريثان اللدن بالحرارة (TPU)، الذي يمكن إعادة تشكيله بالحرارة.

البولي يوريثان والبولي يوريا: ما الفرق؟

يتكوّن البولي يوريثان عندما يتفاعل الإيزوسيانات مع البوليول، أما البولي يوريا فتتكوّن عندما يتفاعل الإيزوسيانات مع أمين. وتتصلّب البولي يوريا بسرعة كبيرة، وتُطبَّق عادةً بآلات رش ساخنة عالية الضغط للعزل المائي والطلاءات الواقية. وتوجد كذلك أنظمة هجينة تجمع بين الاثنين. ويشرح دليل رش الفوم أم البولي يوريا؟ كيف يفاضل مقاولو العزل بينهما.

هل الفوم في العبوات بولي يوريثان أيضًا؟

نعم. فمعظم عبوات الفوم (بخاخات الفوم) التي تُباع في محلات الأدوات ومواد البناء هي رغوة بولي يوريثان أحادية المكوّن تتصلّب برطوبة الهواء. وتختلف عن الأنظمة الثنائية المكوّن التي تستخدمها الصناعة لإنتاج الألواح وإسفنج التنجيد والقطع المقولبة. وتحتوي رغوة العبوة قبل تصلّبها على إيزوسيانات تفاعلي، فارتدوا القفازات ونظارات الحماية، وهوّوا المكان جيدًا، واتبعوا التحذيرات المكتوبة على العبوة.

3. أهم الخصائص

تتوقف خصائص البولي يوريثان على نوعه وكثافته وتركيبته، ولذلك تنطبق كل نقطة أدناه على مجموعة المنتجات المذكورة فيها:

• العزل الحراري: يُعدّ البولي يوريثان الصلب مغلق الخلايا من أقل مواد العزل الشائعة موصليةً للحرارة. وتذكر PU Europe، وهي رابطة صناعة العزل بالبولي يوريثان (PUR/PIR) في أوروبا، أن عزل البولي يوريثان الصلب ذي الكسوة يمكن أن تنخفض موصليته الحرارية (λ) إلى ما بين 0.022 و0.028 W/mK بحسب مواد الكسوة والسماكة. وكلما انخفضت قيمة λ مرّ قدر أقل من الحرارة، فيكفي لتحقيق العزل نفسه طبقة أرق. وهذا نطاق صناعي، وليس القيمة المعلنة لأي منتج بعينه.
• خفة الوزن والمتانة: وفق PU Europe، يشغل الغاز المحبوس نحو 97% من حجم رغوة البولي يوريثان الصلبة، ولهذا هي خفيفة جدًا. وتزداد متانتها الميكانيكية بزيادة الكثافة. وفي لوح الساندوتش بانل تلتصق بإحكام بالكسوة المعدنية وتشكّل القلب الذي يحافظ على تماسك اللوح.
• الماء والرطوبة: الرغوة الصلبة مغلقة الخلايا لا تمتص تقريبًا أي ماء، أما الرغوة المرنة مفتوحة الخلايا فتتشرّبه. ونفاذية بخار الماء تختلف من منتج إلى آخر، فراجعوا القيمة في نشرة البيانات الفنية.
• الحرارة وأشعة الشمس: تتوقف مقاومة الحرارة على المنتج، فلا توجد قيمة واحدة تنطبق على كل أنواع البولي يوريثان. ويصفرّ البولي يوريثان المصنوع بإيزوسيانات عطرية تحت أشعة الشمس، ولا ينبغي تركه مكشوفًا دون حماية؛ أما الطلاءات التي يجب أن تحتفظ بلونها فتستخدم أنظمة أليفاتية.
• عمر الخدمة: تذكر PU Europe أن العمر النافع لرغوة البولي يوريثان الصلبة يبلغ 50 عامًا وأكثر، وتذكر ISOPA أكثر من 50 عامًا لعزل المباني. وهذه بيانات صادرة عن القطاع الصناعي، وليست ضمانًا لأي منتج بعينه.

4. ما استخدامات البولي يوريثان؟

باختصار، يعزل البولي يوريثان المباني وغرف التبريد والثلاجات، ويُستخدم في حشو الأثاث والمراتب ومقاعد السيارات، كما يدخل في الطلاءات والمواد اللاصقة وكثير من القطع المقولبة.

في القطع المقولبة، تساعد مادة فصل القوالب على خروج القطعة من القالب بصورة نظيفة. وتوفّر JiTPOL أنظمة للعزل وإسفنج التنجيد والجلد المتكامل وتطبيقات الرش: راجعوا أنظمتنا الصلبة والمرنة واللزجة المرنة وذات الجلد المتكامل وأنظمة الرش.

5. هل البولي يوريثان ضار؟

يتوقف الجواب على ما إذا كنا نقصد المنتج النهائي أم المواد الأولية.

المنتج النهائي بعد المعالجة

وفق صحيفة معلومات المادة الصادرة عن EUROPUR، وهي الرابطة الأوروبية لمصنّعي بلوكات رغوة البولي يوريثان المرنة، تُصنَّف رغوة البولي يوريثان المرنة بعد معالجتها سلعةً وليست مادة خطرة، ولا تُعرف لها آثار على الجلد أو التنفس في الاستخدام العادي. ومع ذلك ينبغي استخدام وسائل حماية مناسبة من الغبار الناتج عن قطع الرغوة أو صنفرتها، وارتداء القفازات عند العمل بالرغوة الحديثة الإنتاج. وهذا البيان يخص الرغوة المرنة؛ أما الرغوة الصلبة ورغوة الرش وسائر منتجات البولي يوريثان فراجعوا نشرات البيانات الخاصة بكل منتج.

المواد الأولية والعاملون بها

قد تسبب الإيزوسيانات، وهي المادة الأولية، حساسية تحسّسية في الجلد والجهاز التنفسي. ويجب أن يتعامل معها أشخاص مدرَّبون، في أماكن جيدة التهوية، وباستخدام معدات الوقاية الشخصية المناسبة. وفي الاتحاد الأوروبي تُلزم اللائحة (EU) 2020/1149 المستخدمين الصناعيين والمهنيين للمنتجات التي تحتوي على ثنائيات الإيزوسيانات بنسبة 0.1% أو أكثر بالوزن بإكمال تدريب قبل الاستخدام. ويسري هذا الإلزام منذ 24 أغسطس/آب 2023، ويجب تجديد التدريب كل خمس سنوات على الأقل. واقرؤوا دائمًا صحيفة بيانات السلامة (SDS) الخاصة بكل منتج.

الاحتراق

يطلق احتراق البولي يوريثان دخانًا كثيفًا وغازات سامة، ولذلك لا ينبغي حرق نفايات البولي يوريثان في العراء أبدًا.

6. هل يحترق البولي يوريثان؟

نعم، البولي يوريثان مادة قابلة للاحتراق. ويتوقف سلوكه عند الحريق على نوع المنتج وكثافته ووجود مواد مؤخِّرة للاشتعال فيه وطريقة دمجه في اللوح أو الجدار. وفي أوروبا تُحدَّد فئة رد الفعل تجاه الحريق لمنتج البناء بالاختبارات وتُصنَّف وفق EN 13501-1، وتُذكر في تقرير تصنيف المنتج وإعلان الأداء الخاص به. فاعتمدوا على هاتين الوثيقتين، لا على عبارات عامة مثل «بولي يوريثان ضد الحريق». وكثيرًا ما تشير عبارات مثل «مؤخِّر للاشتعال» إلى اختبارات إشعال صغيرة النطاق فقط، ولا تصف الخطر في حريق كبير.

7. البولي يوريثان ومواد العزل الأخرى

عند المقارنة بالستايروفوم (البوليسترين الموسّع، EPS) وXPS والصوف الصخري، فإن أوضح ما يميّز البولي يوريثان الصلب هو أن موصليته الحرارية المنخفضة تحقق العزل نفسه بطبقة أرق. وحيث تهم السماكة والوزن، كما في الألواح وغرف التبريد، يحسم هذا الفرق الاختيار. أما الصوف الصخري فيُصنَّف عمومًا على أنه غير قابل للاحتراق (Euroclass A1 أو A2؛ راجعوا إعلان أداء المنتج)، وقد يُفضَّل حيث تكون فئة الحريق هي الأولوية. ويتوقف الاختيار الصحيح على قيمة العزل المطلوبة والسماكة وظروف الرطوبة ومتطلبات الحريق والميزانية؛ وقارنوا كل مادة بقيمة λ المعلنة الخاصة بها.

8. البيئة وإعادة التدوير

معظم البولي يوريثان من البوليمرات المتصلّدة حراريًا: فبنيته المتشابكة تعني أنه لا يمكن صهره وإعادة تشكيله (والاستثناء هو البولي يوريثان اللدن بالحرارة، TPU)، ولذلك فإن تدويره أصعب من تدوير اللدائن الحرارية (الثرموبلاستيك)، لكنه ممكن. أما قصاصات الإسفنج المرن فتُفرم وتُلصق من جديد (إسفنج معاد الربط) لتصبح منتجات مثل بطانات السجاد. وتفكّك الطرق الكيميائية، مثل التحلل بالغليكول، الرغوة إلى منتج غني بالبوليول يمكن أن يحل جزئيًا محل البوليول الجديد. والنفايات التي يتعذر تدويرها يمكن أن تذهب إلى استعادة الطاقة عبر الحرق المراقَب مع ترشيح الانبعاثات؛ وحرقها في العراء غير مقبول إطلاقًا. وبحسب ISOPA، لا تزال معدلات التدوير منخفضة بسبب محدودية المنشآت وارتفاع التكاليف. وفي رغوات العزل، جرى التخلص تدريجيًا من عوامل النفخ التي أضرّت بطبقة الأوزون (أولًا مركبات CFC ثم مركبات HCFC)؛ وحلّ محلها في أوروبا البنتان في الأغلب، وتستخدم بعض الأنظمة عوامل من نوع HFO. وللتفاصيل راجعوا دليلنا إعادة تدوير البولي يوريثان.

9. كيف تختارون النظام المناسب

يتوقف اختيار نوع البولي يوريثان على المنتج الذي تصنعونه وعلى طريقة تصنيعه. وهذه الأسئلة تقود إلى النظام المناسب:

• ما المنتج، وما الذي يحتاجه: العزل، أم الصلابة، أم الراحة، أم المتانة؟
• ما طريقة الإنتاج: خط ألواح مستمر، أم الصب في القوالب، أم الإسفنج الكتلي (slabstock)، أم الحقن، أم الرش؟
• ما الكثافة وزمن المعالجة المطلوبان؟
• بأي الأسطح يجب أن تلتصق الرغوة، وفي أي ظروف ستُنتج؟
• ما فئة الحريق أو الاختبار أو الشهادة المطلوبة؟

تُسمّى الشركات التي تطوّر تركيبات ثنائية المكوّن جاهزة للإجابة عن هذه الأسئلة شركات متخصصة في أنظمة البولي يوريثان. وJiTPOL شركة متخصصة في أنظمة البولي يوريثان مقرها بورصة، تطوّر هذه الأنظمة وتورّدها. ويمكننا مساعدتكم في اختيار النظام وإرسال نشرة البيانات الفنية (TDS) وصحيفة بيانات السلامة (SDS) التي تحتاجون إليها.

الأسئلة الشائعة

المصادر

1. ISOPA: ما هو البولي يوريثان؟ (بالإنجليزية)
2. ISOPA: الأسئلة الشائعة عن البولي يوريثان (بالإنجليزية)
3. PU Europe: عزل البولي يوريثان (بالإنجليزية)
4. EUROPUR: صحيفة معلومات المادة، رغوة البولي يوريثان المرنة (بالإنجليزية)
5. ISOPA: صحيفة معلومات عن الرغوة المرنة المعاد ربطها (بالإنجليزية)
6. ويكيبيديا: البولي يوريثان (بالإنجليزية)
7. OSHA: مخاطر الإيزوسيانات (بالإنجليزية)
8. لائحة المفوضية الأوروبية (EU) 2020/1149 (ثنائيات الإيزوسيانات، الملحق XVII من REACH) (بالإنجليزية)