پلی‌ال مولکولی است که دو یا چند گروه هیدروکسیل (OH) دارد؛ ایزوسیاناتی که در پلی‌یورتان به کار می‌رود نیز دو یا چند گروه واکنش‌پذیر NCO دارد. وقتی این دو با هم مخلوط شوند، گروه‌های NCO با گروه‌های OH واکنش می‌دهند و پیوندهای یورتان را می‌سازند؛ پلی‌یورتان از همین پیوندها تشکیل می‌شود. اینکه پلاستیک نهایی نرم باشد یا سخت، تا حد زیادی به پلی‌ال بستگی دارد؛ ایزوسیانات (معمولاً MDI یا TDI) زنجیرها را به هم وصل می‌کند و نسبت اختلاط دو گروه را در تعادل نگه می‌دارد. ایزوسیانات‌ها با رطوبت واکنش می‌دهند و می‌توانند حساسیت آلرژیک ایجاد کنند؛ بنابراین باید با دقت با آن‌ها کار کرد.

۱. پلی‌ال و ایزوسیانات: دو ماده اولیه

هر سیستم صنعتی پلی‌یورتان (PU) از همان دو گروه ماده اولیه آغاز می‌شود: یک پلی‌ال (مولکولی دارای گروه‌های هیدروکسیل، OH) و یک ایزوسیانات (مولکولی دارای گروه‌های واکنش‌پذیر ایزوسیانات، N=C=O، که به‌اختصار NCO نوشته می‌شود). وقتی این دو به هم می‌رسند، یک گروه NCO با یک گروه OH واکنش می‌دهد و پیوند یورتان می‌سازد. همین پیوند واحد که در سراسر مخلوط بارها و بارها تکرار می‌شود، پلیمر را می‌سازد. برای مروری بر کل خانواده این ماده، پلی‌یورتان چیست؟ را ببینید.

سایر اجزای یک فرمولاسیون (کاتالیزورها، سورفکتانت‌ها، عوامل دمنده، دیرسوزکننده‌ها) این واکنش و محصول نهایی را به‌طور دقیق تنظیم می‌کنند؛ اما رفتار فوم، پوشش یا قطعه قالبی پیش از هر چیز با پلی‌ال، ایزوسیانات و نسبت میان آن‌ها تعیین می‌شود. در فوم انعطاف‌پذیر معمولاً پلی‌اتر پلی‌ال با TDI و در فوم سخت پلی‌ال با عاملیت بالا با MDI پلیمری جفت می‌شود. مقایسه سیستم‌های پلی‌یورتان سخت و انعطاف‌پذیر و فوم پلی‌یورتان چیست؟ را ببینید.

۲. پلی‌ال چیست؟

پلی‌ال ترکیبی آلی است که چند گروه هیدروکسیل (OH) دارد. در پلی‌یورتان، پلی‌ال‌ها الیگومر یا پلیمرهایی هستند که به‌طور میانگین در هر مولکول دو یا چند گروه OH دارند و در دمای اتاق معمولاً مایعاتی ویسکوزند. ایزوسیانات به همین گروه‌های OH متصل می‌شود.

پلی‌اتر پلی‌ال‌ها و پلی‌استر پلی‌ال‌ها

پلی‌اتر پلی‌ال‌ها با افزودن پروپیلن اکسید و/یا اتیلن اکسید به یک مولکول آغازگر ساخته می‌شوند؛ کاربرد بسیار گسترده‌ای دارند و معمولاً از پلی‌استر پلی‌ال‌ها ارزان‌ترند، کار با آن‌ها آسان‌تر است و در برابر آب مقاوم‌ترند. پلی‌استر پلی‌ال‌ها از واکنش پلی‌تراکمی اسیدهای کربوکسیلیک با گلیکول‌ها به دست می‌آیند؛ معمولاً ویسکوزتر و گران‌ترند، اما مقاومت بهتری در برابر حلال، سایش و برش دارند. پلی‌استر پلی‌ال‌های آروماتیک در فوم سخت به کار می‌روند و بعضی از آن‌ها از PET بازیافتی ساخته می‌شوند.

عاملیت، عدد هیدروکسیل و وزن مولکولی

عاملیت میانگین تعداد گروه‌های OH در هر مولکول است. عدد هیدروکسیل (بر حسب mg KOH/g، که برای نمونه مطابق ISO 14900 اندازه‌گیری می‌شود) نشان می‌دهد در هر گرم چند گروه OH وجود دارد. هر دو به وزن مولکولی وابسته‌اند. هرچه گروه OH در هر گرم بیشتر باشد، ایزوسیانات بیشتری لازم است. مقادیر هر پلی‌ال مشخص در برگه اطلاعات فنی (TDS) آن آمده است.

انعطاف‌پذیر یا سخت: پلی‌ال چه چیزی را تعیین می‌کند؟

زنجیرهای بلند با گروه‌های OH کم (عدد هیدروکسیل پایین) شبکه‌ای الاستیک با اتصالات عرضی اندک می‌سازند (فوم انعطاف‌پذیر)؛ زنجیرهای کوتاه با گروه‌های OH زیاد (عدد هیدروکسیل بالا) شبکه‌ای سخت با اتصالات عرضی فشرده می‌سازند (فوم سخت). اینکه برای هر محصول از کدام پلی‌ال‌ها استفاده شود، به فرمولاسیون سیستم بستگی دارد.

پلی‌ال‌های ویژه: پلیمری، زیست‌پایه و بازیافتی

پلیمر پلی‌ال‌ها ذرات پلیمری ریز و پراکنده‌ای (مثلاً SAN، استایرن اکریلونیتریل) دارند و برای افزایش ظرفیت باربری فوم انعطاف‌پذیر، یعنی ایجاد حس سفت‌تر، به کار می‌روند.

پلی‌ال‌های زیست‌پایه (از روغن کرچک، سویا یا کلزا) و پلی‌ال‌های بازیافتی (از گلیکولیز PET یا ضایعات پلی‌یورتان) ممکن است از نظر عدد هیدروکسیل و ویسکوزیته با گریدهای پتروشیمیایی تفاوت داشته باشند. تلاش‌ها برای استفاده از مواد تجدیدپذیر تاکنون بیشتر بر پلی‌ال‌ها متمرکز بوده است. در محصولاتی که بر پایه «موازنه جرمی» (موازنه زیست‌توده) فروخته می‌شوند، سهم تجدیدپذیر از طریق حسابداری گواهی‌شده به محصول اختصاص می‌یابد و لزوماً به‌صورت مولکول‌های تجدیدپذیر در خود محصول وجود ندارد؛ بنابراین بررسی کنید که سهم تجدیدپذیر اعلام‌شده واقعاً در محصول هست یا فقط تخصیص داده شده است. بازیافت پلی‌یورتان: مکانیکی و شیمیایی را ببینید.

۳. ایزوسیانات چیست؟

ایزوسیانات ترکیبی آلی است که گروه N=C=O (NCO) دارد. در پلی‌یورتان از دی‌ایزوسیانات‌ها و پلی‌ایزوسیانات‌ها استفاده می‌شود که در هر مولکول دو یا چند گروه NCO دارند و زنجیرها را به هم وصل می‌کنند.

MDI، MDI پلیمری و TDI

MDI (متیلن دی‌فنیل دی‌ایزوسیانات) ایزوسیانات اصلی برای فوم سخت، عایق و اسپری فوم است. MDI پلیمری (pMDI) با وجود نامش پلیمر نیست، بلکه مخلوطی مایع از MDI مونومری و مولکول‌های بزرگ‌تر است. TDI (تولوئن دی‌ایزوسیانات) بیشتر به‌صورت مخلوط 80:20 از ایزومرهای 2,4 و 2,6 تولید می‌شود و ایزوسیانات اصلی فوم انعطاف‌پذیر در مبلمان و لوازم خواب است. فشار بخار TDI از MDI بالاتر است؛ بنابراین TDI به کنترل سخت‌گیرانه‌تری برای مواجهه نیاز دارد.

ایزوسیانات‌های آلیفاتیک

ایزوسیانات‌های آلیفاتیک (از جمله سیکلوآلیفاتیک‌ها) مانند HDI، IPDI و H12MDI بیشتر در پوشش‌هایی به کار می‌روند که رنگ و شفافیت در آن‌ها اهمیت دارد، زیرا پلی‌یورتان‌های ساخته‌شده با ایزوسیانات‌های آروماتیک (MDI، TDI) در معرض نور تمایل به تیره شدن دارند.

مقدار NCO

مقدار NCO درصد وزنی گروه‌های NCO در ایزوسیانات است. هرچه این مقدار بالاتر باشد، برای همان تعداد گروه OH از نظر وزنی ایزوسیانات کمتری لازم است. هر محصول ایزوسیانات مقدار NCO مخصوص به خود را دارد که در برگه اطلاعات فنی آن ذکر می‌شود. جدول سه نوع رایج را مقایسه می‌کند.

ایزوسیاناتشکل معمولکاربرد اصلی
‎4,4'-MDI خالصجامد سفیدTPU، چسب، پوشش
MDI پلیمری (pMDI)مایع قهوه‌ایفوم سخت و عایق، اسپری فوم
TDI 80/20مایع بی‌رنگفوم انعطاف‌پذیر

۴. پلی‌ال و ایزوسیانات چگونه واکنش می‌دهند؟

یک گروه NCO و یک گروه OH به هم می‌پیوندند و یک پیوند یورتان می‌سازند (RNCO + R'OH → RNHCOOR'‎) و گرما آزاد می‌شود. اگر در هر دو طرف هر مولکول دو گروه وجود داشته باشد، زنجیر تشکیل می‌شود؛ اگر یک طرف سه گروه یا بیشتر داشته باشد، شبکه‌ای با اتصالات عرضی پدید می‌آید. در فوم، چند واکنش دیگر نیز هم‌زمان پیش می‌رود:

واکنشمواد واکنش‌دهندهمحصولنقش در فوم
یورتان (ژل‌شدن)NCO + OH پلی‌الپیوند یورتانشبکه پلیمری را می‌سازد
دمشNCO + آبCO2 + آمینگاز باعث بالا آمدن فوم می‌شود
اورهNCO + همان آمینپیوند اورهبخش‌های سخت؛ در فوم‌های دمیده‌شده با آب دیده می‌شود
تریمریزاسیون (PIR)‎3 NCO + کاتالیزورحلقه ایزوسیانوراتاتصال عرضی در فوم PIR

واکنش‌های ژل‌شدن و دمش باید در تعادل بمانند؛ این تعادل تأثیر زیادی بر ساختار سلولی و چگالی دارد. کاتالیزورها (کاتالیزورهای آمینی و ترکیبات فلزی) سرعت واکنش‌ها را کنترل می‌کنند؛ تأمین‌کننده معمولاً آن‌ها را در جزء پلی‌ال مخلوط می‌کند. در فوم سخت یک عامل دمنده فیزیکی نیز گاز اضافه می‌کند.

۵. شاخص ایزوسیانات و نسبت اختلاط: نسبت چگونه تعیین می‌شود؟

شاخص ایزوسیانات مقدار NCO مصرف‌شده در عمل را با مقدار NCO لازم برای واکنش دقیق با همه گروه‌های واکنش‌پذیر مخلوط (عمدتاً گروه‌های OH پلی‌ال‌ها و در صورت وجود آب) مقایسه می‌کند. شاخص ۱۰۰ یعنی تعادل دقیق؛ بالاتر از ۱۰۰ ایزوسیانات اضافه و پایین‌تر از ۱۰۰ ایزوسیانات کم است. فوم‌های PIR (پلی‌ایزوسیانورات) با مازاد ایزوسیانات بسیار بیشتری نسبت به فوم‌های PUR معمولی ساخته می‌شوند؛ مقایسه پانل‌های عایق PIR و PUR را ببینید.

نسبت اختلاط چگونه تعیین می‌شود؟

نسبت مخلوط پلی‌ال به ایزوسیانات بخشی از سیستم است. این نسبت از گروه‌های واکنش‌پذیر دو جزء و شاخص هدف به دست می‌آید و تیم فرمول‌بندی آن را هنگام توسعه سیستم تعیین می‌کند. به همین دلیل نسبت یک سیستم آماده ثابت است: همراه با شرایط فرایند در برگه اطلاعات فنی سیستم آمده است و باید همان‌طور که در آنجا ذکر شده به کار رود. برای پرسش درباره نسبت یا شاخص یک سیستم مشخص، تیم فنی JiTPOL می‌تواند کمک کند.

زیاد یا کم بودن ایزوسیانات

به‌طور کلی، کم بودن ایزوسیانات باعث می‌شود گروه‌های OH بدون واکنش بمانند و پلیمری نرم‌تر با اتصالات عرضی کمتر پدید آید؛ در مقابل، زیاد بودن آن اتصالات عرضی اضافی ایجاد می‌کند و پلیمری سخت‌تر و سفت‌تر می‌دهد. میزان دقیق این اثر به سیستم بستگی دارد؛ بنابراین باید نسبت ذکرشده در برگه اطلاعات فنی رعایت شود.

۶. جزء A و جزء B چیست؟

پلی‌یورتان صنعتی معمولاً به‌صورت دو جزء در ظرف‌های جداگانه تحویل داده می‌شود و این اجزا فقط هنگام مصرف، مثلاً در سر اختلاط دستگاه یا در تفنگ اسپری، با هم مخلوط می‌شوند. در ترکیه و اروپا جزء A معمولاً مخلوط پلی‌ال و جزء B ایزوسیانات است؛ JiTPOL نیز همین‌گونه نام‌گذاری می‌کند. در آمریکای شمالی این حروف اغلب برعکس به کار می‌روند. این حروف یک عادت صنعتی‌اند، نه یک استاندارد، و رویه شرکت‌ها با هم فرق می‌کند؛ بنابراین همیشه برچسب و برگه اطلاعات فنی را بررسی کنید.

مخلوط پلی‌ال عمدتاً از خود پلی‌ال تشکیل شده است، به‌علاوه افزودنی‌هایی که تأمین‌کننده از پیش متعادل کرده است: کاتالیزور، سورفکتانت سیلیکونی، عامل دمنده و در برخی سیستم‌ها دیرسوزکننده و رنگ‌زا.

۷. پلی‌ال و ایزوسیانات چگونه نگهداری و جابه‌جا می‌شوند؟

بزرگ‌ترین دشمن، رطوبت است. آب با ایزوسیانات واکنش می‌دهد و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند؛ در بشکه بسته این گاز می‌تواند آن‌قدر فشار ایجاد کند که بشکه باد کند یا بترکد. به همین دلیل ظرف‌ها بسته و دور از رطوبت نگه داشته می‌شوند و ظرفی که حتی مقدار کمی آب در آن بوده است نباید دوباره پر شود. بسیاری از پلی‌ال‌ها نیز رطوبت‌گیرند: پلی‌الی که در ظرف باز رها شود، از هوای مرطوب آب جذب می‌کند. این آب بعدها ایزوسیانات را مصرف می‌کند و دی‌اکسید کربن آزاد می‌کند که چگالی و ساختار سلولی فوم را تغییر می‌دهد.

دمای نگهداری، ماندگاری و نحوه جابه‌جایی ظرف‌ها از محصولی به محصول دیگر فرق می‌کند. این موارد در برگه اطلاعات فنی و برگه اطلاعات ایمنی (SDS) هر ماده آمده است؛ از آن‌ها و دستورهای تأمین‌کننده خود پیروی کنید. به‌طور کلی، مواد را در فضایی سرپوشیده و دارای تهویه نگه دارید و ایزوسیانات را از آب، الکل‌ها، آمین‌ها و پلی‌ال‌ها جدا نگه دارید. ISOPA، انجمن اروپایی تولیدکنندگان دی‌ایزوسیانات و پلی‌ال، راهنماهای نگهداری و حمل TDI و MDI را منتشر می‌کند. برای مشاوره درباره یک سیستم مشخص، با تیم فنی JiTPOL تماس بگیرید.

۸. آیا ایزوسیانات مضر است؟

این بخش درباره مواد اولیه مایع است؛ وضعیت محصول پخت‌شده به نوع آن بستگی دارد (پلی‌یورتان چیست؟ را ببینید). پلی‌ال‌ها به‌طور کلی کم‌خطر شناخته می‌شوند، اما مخلوط آماده پلی‌ال کاتالیزورها (برخی آمین‌ها می‌توانند پوست را حساس کنند)، دیرسوزکننده‌ها و عوامل دمنده نیز دارد و به همین دلیل برگه اطلاعات ایمنی مخصوص به خود را دارد.

ایزوسیانات‌ها بیشترین مراقبت را می‌طلبند. استنشاق بخار، مه یا آئروسل آن‌ها می‌تواند چشم، بینی و ریه را تحریک کند و حساسیت تنفسی (نوعی آلرژی) ایجاد کند که ممکن است به آسم شغلی بینجامد؛ فردی که حساس شده باشد می‌تواند به غلظت‌های بسیار پایین نیز واکنش نشان دهد. تماس با پوست می‌تواند باعث تحریک و درماتیت آلرژیک شود و ممکن است در بروز حساسیت تنفسی نقش داشته باشد؛ پس باید از آن پرهیز کرد. فشار بخار MDI در دمای اتاق پایین است، بنابراین MDI موجود در هوا عمدتاً هنگام گرم شدن یا اسپری شدن نگران‌کننده است؛ برای TDI تدابیری مانند تهویه موضعی لازم است. فقط با تدابیر کنترلی و تجهیزات حفاظتی که در برگه اطلاعات ایمنی (SDS) ذکر شده کار کنید.

در اتحادیه اروپا، مقررات (EU) 2020/1149 (پیوست XVII مقررات REACH، ردیف ۷۴) کاربران صنعتی و حرفه‌ای مواد یا مخلوط‌هایی را که ۰٫۱ درصد وزنی یا بیشتر دی‌ایزوسیانات (به‌تنهایی یا مجموعاً) دارند ملزم می‌کند پیش از استفاده آموزش لازم را بگذرانند. این الزام از ۲۴ اوت ۲۰۲۳ اعمال می‌شود و آموزش باید دست‌کم هر پنج سال یک‌بار تجدید شود. از فوریه ۲۰۲۲ تأمین‌کنندگان موظف‌اند روی بسته‌بندی عبارت «As from 24 August 2023 adequate training is required before industrial or professional use» (یعنی: از ۲۴ اوت ۲۰۲۳ پیش از استفاده صنعتی یا حرفه‌ای، آموزش کافی لازم است) را چاپ کنند. در ترکیه، مقررات KKDİK (مقررات ثبت، ارزیابی، مجوز و محدودسازی مواد شیمیایی، مشابه REACH) و مقررات SEA درباره طبقه‌بندی و برچسب‌گذاری اعمال می‌شود و طبق ماده ۲۷ KKDİK برگه اطلاعات ایمنی به زبان ترکی ارائه می‌شود.

۹. سیستم آماده یا مواد اولیه جداگانه؟ نقش سیستم‌هاوس

گروه‌های بزرگ شیمیایی MDI، TDI و پلی‌ال‌ها را در مقیاس صنعتی تولید می‌کنند. اما برای داشتن یک فوم قابل استفاده، باز هم به پلی‌ال‌های مناسب، کاتالیزور، سورفکتانت، عامل دمنده و دیرسوزکننده نیاز است که متعادل شده و با یک ایزوسیانات هماهنگ شده باشند. شرکت‌هایی که این کار را انجام می‌دهند و یک بسته آماده دوجزئی عرضه می‌کنند، سیستم‌هاوس نامیده می‌شوند. تولیدکنندگان به این دلایل سیستم آماده را انتخاب می‌کنند:

JiTPOL یک سیستم‌هاوس پلی‌یورتان در بورسا است. ما سیستم‌های دوجزئی سخت، انعطاف‌پذیر، ویسکوالاستیک، پوسته یکپارچه و اسپری را فرمول‌بندی، توسعه و تأمین می‌کنیم و در کنار آن‌ها جداکننده‌های قالب ساخت خودمان و مواد شیمیایی کمکی را نیز عرضه می‌کنیم. محصول و فرایند خود را برای ما شرح دهید تا یک خانواده سیستم پیشنهاد کنیم و TDS و SDS را بفرستیم. خریداران خارج از ترکیه می‌توانند از خرید سیستم‌های پلی‌یورتان از ترکیه شروع کنند.

پرسش‌های متداول

منابع

  1. ویکی‌پدیا: پلی‌یورتان
  2. ویکی‌پدیا: پلی‌ال
  3. ویکی‌پدیا: ایزوسیانات
  4. Makowska و همکاران (۲۰۲۴)، Materials: فوم‌های سخت پلی‌یورتان سازگار با محیط زیست (به انگلیسی)
  5. Ivdre و همکاران (۲۰۲۰)، Polymers: شاخص ایزوسیانات در فوم‌های سخت (به انگلیسی)
  6. Kurańska و همکاران (۲۰۲۵)، Materials: ری‌پلی‌ال‌های حاصل از گلیکولیز (به انگلیسی)
  7. Olszewski و همکاران (۲۰۲۲)، Polymers: استوکیومتری در فوم‌های انعطاف‌پذیر (به انگلیسی)
  8. ISO 14900: عدد هیدروکسیل پلی‌ال‌ها (به انگلیسی)
  9. Allport، Gilbert و Outterside (ویراستاران)، MDI and TDI: Safety, Health and the Environment (Wiley، ۲۰۰۳)، بخش ۱ (به انگلیسی)
  10. Allport، Gilbert و Outterside (ویراستاران)، MDI and TDI: Safety, Health and the Environment (Wiley، ۲۰۰۳)، بخش ۵: علوم پشتیبان (به انگلیسی)
  11. ACC / CPI: ایمنی و جابه‌جایی مخلوط‌های رزین پلی‌ال (۲۰۲۲) (به انگلیسی)
  12. ACC / CPI: اثرات دی‌ایزوسیانات‌ها بر سلامت (۲۰۱۳) (به انگلیسی)
  13. ACC / CPI: جابه‌جایی ایمن MDI (۲۰۲۰) (به انگلیسی)
  14. Hanna Instruments: رطوبت در پلی‌ال‌ها (به انگلیسی)
  15. ISCC: توضیح موازنه جرمی (به انگلیسی)
  16. OSHA: مروری بر ایزوسیانات‌ها (به انگلیسی)
  17. EPA آمریکا: مواد شیمیایی در اسپری فوم پلی‌یورتان (به انگلیسی)
  18. ISOPA: لجستیک و مدیریت مسئولانه محصول برای MDI و TDI (به انگلیسی)
  19. مقررات کمیسیون اروپا (EU) 2020/1149 (دی‌ایزوسیانات‌ها، پیوست XVII مقررات REACH)، روزنامه رسمی اتحادیه اروپا L 252، ۴ اوت ۲۰۲۰ (به انگلیسی)
  20. مقررات KKDİK، ماده ۲۷ (روزنامه رسمی ترکیه، ۲۳ ژوئن ۲۰۱۷، شماره ۳۰۱۰۵ مکرر) (به ترکی)
توجه: این مقاله برای اطلاع‌رسانی فنی عمومی است. مطالب آن کلی‌اند و مقادیر هیچ‌یک از محصولات JiTPOL نیستند. فرمولاسیون، انتخاب مواد اولیه، نسبت، شاخص‌های هدف و شرایط فرایند برای یک سیستم مشخص به کاربرد، محصول نهایی و خط تولید بستگی دارد. برای توصیه‌های دقیق و دریافت TDS و SDS یک محصول، با پشتیبانی فنی JiTPOL تماس بگیرید.