پلی‌یورتان (PU؛ گاهی پلی‌اورتان هم نوشته می‌شود) خانواده‌ای از پلاستیک‌ها (پلیمرها) است که از واکنش دو جزء مایع، یعنی یک پلی‌ال و یک ایزوسیانات، با یکدیگر پدید می‌آید. با تغییر نوع و نسبت اجزا، همین شیمی یک فوم نرم کوسن، یک فوم عایق سخت، یک پوشش انعطاف‌پذیر یا یک قطعه قالبی مقاوم می‌دهد. به همین دلیل فوم تشک، پانل سردخانه و عایق یخچال همگی به یک خانواده از مواد تعلق دارند.

۱. پلی‌یورتان چگونه تشکیل می‌شود

پلی‌یورتان از دو ماده اولیه اصلی ساخته می‌شود: یک پلی‌ال و یک ایزوسیانات. پلی‌ال مولکولی است که دو یا چند گروه هیدروکسیل (OH) دارد. ایزوسیانات اغلب MDI یا TDI است و دو یا چند گروه واکنش‌پذیر NCO دارد. وقتی این دو با هم مخلوط شوند، واکنشی گرمازا آغاز می‌شود و پیوندهای یورتان تشکیل می‌شوند که مولکول‌ها را به هم وصل می‌کنند. نام این پلیمر از همین پیوند گرفته شده است.

سیستم دوجزئی: جزء A و جزء B

در صنعت، پلی‌یورتان معمولاً به‌صورت یک سیستم دوجزئی عرضه می‌شود. در اروپا و ترکیه، جزء A معمولاً مخلوط آماده پلی‌ال با کاتالیزورها، سورفکتانت‌ها، عوامل دمنده و سایر افزودنی‌هاست و جزء B ایزوسیانات متناسب با آن مخلوط است. در آمریکای شمالی اغلب این حروف برعکس به کار می‌روند؛ بنابراین همیشه مطابق برچسب بشکه‌ها و برگه‌های اطلاعات محصول عمل کنید. یک دستگاه دوزکننده این دو را با نسبتی مشخص مخلوط می‌کند و مخلوط را به درون قالب، روی خط تولید پانل یا مستقیماً روی سطحی که قرار است عایق شود هدایت می‌کند.

فوم چگونه تشکیل می‌شود

هنگام ساخت فوم دو واکنش هم‌زمان پیش می‌رود. در واکنش ژل‌شدن، پلی‌ال و ایزوسیانات شبکه پلیمری را می‌سازند. در واکنش دمش، ایزوسیانات با آب واکنش می‌دهد و گاز دی‌اکسید کربن آزاد می‌شود. این گاز، به‌همراه عامل دمنده فیزیکی موجود در سیستم (مثلاً پنتان یا HFO)، مخلوط مایع را به فوم تبدیل می‌کند. توازن میان این دو واکنش، ساختار سلولی و چگالی فوم را تعیین می‌کند. آمینی که در واکنش دمش پدید می‌آید با ایزوسیانات بیشتری واکنش می‌دهد و پیوندهای اوره می‌سازد؛ به همین دلیل بیشتر فوم‌ها در کنار گروه‌های یورتان مقداری گروه اوره نیز دارند.

چرا یک شیمی، این‌همه محصول می‌دهد

زنجیره‌های بلند و انعطاف‌پذیر پلی‌ال محصولاتی نرم و برگشت‌پذیر می‌دهند. پلی‌ال‌های کوتاه و بسیار شاخه‌دار ساختاری سخت و با اتصالات عرضی فشرده می‌سازند. تغییرات کوچک در فرمولاسیون مستقیماً چگالی، سختی، توان عایقی و زمان پخت را تغییر می‌دهد. به همین دلیل از پلی‌یورتان به‌عنوان سیستمی یاد می‌شود که برای هر کاربرد تنظیم می‌شود، نه یک محصول واحد. راهنمای ما با عنوان پلی‌ال و ایزوسیانات: سازوکار واکنش این دو ماده اولیه را با جزئیات بیشتر توضیح می‌دهد.

تاریخچه‌ای کوتاه

پلی‌یورتان نخستین بار در سال ۱۹۳۷ به‌دست Otto Bayer و همکارانش در شرکت IG Farben در شهر Leverkusen آلمان ساخته شد. این ماده در جنگ جهانی دوم در مقیاس کوچک به کار رفت، مثلاً به‌عنوان پوشش هواپیما، و در دهه ۱۹۵۰ فوم‌های سخت، الاستومرها، چسب‌ها و فوم‌های انعطاف‌پذیر کاربرد گسترده‌تری یافتند. امروز پلی‌یورتان یکی از پلاستیک‌های مهم است: تولید جهانی آن در سال ۲۰۱۹ حدود ۲۵ میلیون تن بود، یعنی حدود ۶ درصد کل پلیمرها.

۲. انواع پلی‌یورتان

در گفتار روزمره، منظور از «پلی‌یورتان» معمولاً یا فوم کوسن است یا فوم عایق. اما همین شیمی گروه‌های محصول بسیار متفاوتی را پوشش می‌دهد:

فوم پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر (فوم کوسن)

فومی نرم و سلول‌باز که پس از فشرده شدن به حالت اول برمی‌گردد و در مبلمان، تشک و صندلی خودرو به کار می‌رود. این فوم یا به‌صورت بلوک‌های بزرگ (فوم بلوکی) ریخته و سپس برش داده می‌شود، یا درون قالب شکل می‌گیرد. بسته به کاربرد، چگالی آن از حدود ۱۰ تا ۳۰۰ kg/m³ متغیر است.

فوم انعطاف‌پذیر با پلی‌ال‌های پلی‌اتری یا پلی‌استری ساخته می‌شود. به‌طور کلی انواع پلی‌اتری در برابر آب و انواع پلی‌استری در برابر حلال‌ها و سایش مقاومت بهتری دارند. چگالی، که در بازار فوم به آن «دانسیته» هم می‌گویند، جرم فوم در هر متر مکعب است (kg/m³). چگالی به‌تنهایی سفتی فوم را مشخص نمی‌کند، زیرا سختی جداگانه اندازه‌گیری می‌شود (مثلاً با روش فرورفتگی، ISO 2439)؛ بنابراین دو فوم با چگالی یکسان می‌توانند حس متفاوتی داشته باشند.

فوم ویسکوالاستیک (مموری فوم)

فومی انعطاف‌پذیر که پس از فشرده شدن به‌آهستگی به حالت اول برمی‌گردد. چون شکل بدن را دنبال می‌کند، در تشک، بالش و کوسن‌های پزشکی به کار می‌رود.

فوم پلی‌یورتان سخت: PUR و PIR

فومی عمدتاً سلول‌بسته، سبک و با توان عایقی بالا. در ساندویچ پانل، پانل سردخانه، یخچال، بدنه کامیون یخچال‌دار و مخزن آب گرم به کار می‌رود. PIR (پلی‌ایزوسیانورات) فوم سختی است که با ایزوسیانات اضافه ساخته می‌شود؛ این ایزوسیانات اضافه ساختارهای حلقوی پدید می‌آورد و فوم در برابر گرما پایدارتر است. تفاوت این دو در نسبت ایزوسیانات به پلی‌ال (شاخص) است: PUR با شاخصی نزدیک به ۱۰۰ و PIR با شاخصی بسیار بالاتر، معمولاً بیش از ۱۸۰، ساخته می‌شود. نام به‌تنهایی رده آتش را مشخص نمی‌کند؛ رده آتش از گزارش طبقه‌بندی محصول به دست می‌آید. راهنمای ما با عنوان عایق PIR و PUR: تفاوت چیست؟ این دو را مقایسه می‌کند.

اسپری فوم پلی‌یورتان

دو جزء در محل و با دستگاه مخصوص پاشیده می‌شوند و فوم در چند ثانیه بالا می‌آید. روی بام‌ها، نماها و انبارها لایه عایق پیوسته‌ای می‌سازد که درز کمی دارد یا اصلاً درز ندارد.

فوم پوسته یکپارچه

سیستمی که در یک بار ریختن درون قالب، یک پوسته بیرونی متراکم و یک هسته فومی سبک‌تر می‌سازد. برای فرمان، جاآرنجی، قطعات مبلمان و محصولات تزئینی به کار می‌رود.

الاستومرها، پوشش‌ها و چسب‌ها

پلی‌یورتان به شکل‌هایی غیر از فوم نیز به کار می‌رود: قطعات الاستومری مقاوم در برابر سایش مانند چرخ و غلتک، پوشش‌های کف و سطح، چسب‌ها و درزگیرها. پلی‌یورتان ترموپلاستیک (TPU) که می‌توان آن را با گرما دوباره شکل داد، به همین خانواده تعلق دارد.

تفاوت پلی‌یورتان و پلی‌اوره

پلی‌یورتان از واکنش ایزوسیانات با پلی‌ال تشکیل می‌شود؛ پلی‌اوره از واکنش ایزوسیانات با آمین. پلی‌اوره بسیار سریع پخت می‌شود و معمولاً با دستگاه‌های اسپری گرم و پرفشار برای آب‌بندی و پوشش‌های محافظ اجرا می‌شود. سیستم‌های هیبریدی که این دو را ترکیب می‌کنند نیز وجود دارند. برای آگاهی از معیار انتخاب پیمانکاران، اسپری فوم یا پلی‌اوره را ببینید.

آیا فوم قوطی‌ای هم پلی‌یورتان است؟

بله. بیشتر قوطی‌های فومی که در فروشگاه‌های ابزار و ساختمانی فروخته می‌شوند، فوم‌های پلی‌یورتان تک‌جزئی‌اند که با رطوبت هوا پخت می‌شوند. این فوم‌ها با سیستم‌های دوجزئی‌ای که صنعت برای ساخت پانل، فوم کوسن و قطعات قالبی به کار می‌برد فرق دارند. فوم پخت‌نشده قوطی حاوی ایزوسیانات واکنش‌پذیر است؛ بنابراین از دستکش و عینک ایمنی استفاده کنید، اتاق را تهویه کنید و هشدارهای روی قوطی را رعایت کنید.

نوعساختار سلولیکاربرد معمول
فوم انعطاف‌پذیرسلول‌بازمبلمان، تشک، صندلی
فوم ویسکوالاستیکسلول‌بازتشک، بالش، کوسن‌های پزشکی
فوم سخت (PUR/PIR)سلول‌بستهپانل، سردخانه، یخچال
اسپری فومسلول‌بسته یا سلول‌باز، بسته به سیستمبام، نما، انبار
فوم پوسته یکپارچهپوسته متراکم، هسته فومیفرمان، جاآرنجی، قطعات تزئینی
پلی‌اوره (ماده مرتبط)پوشش توپر، نه فومآب‌بندی، پوشش‌های محافظ

۳. ویژگی‌های اصلی

ویژگی‌های پلی‌یورتان به نوع، چگالی و فرمولاسیون آن بستگی دارد؛ بنابراین هر مورد زیر فقط درباره گروه محصولی صدق می‌کند که در آن نام برده شده است:

۴. کاربرد پلی‌یورتان چیست؟

در یک جمله، پلی‌یورتان ساختمان، سردخانه و یخچال را عایق می‌کند، به مبلمان، تشک و صندلی خودرو نرمی و راحتی می‌دهد و در پوشش‌ها، چسب‌ها و بسیاری از قطعات قالبی به کار می‌رود.

بخشنوع مورد استفادهنمونه‌ها
ساخت‌وساز و عایق‌کاریفوم سخت، اسپری فومساندویچ پانل، عایق بام و نما
زنجیره سردفوم سختپانل سردخانه، بدنه کامیون یخچال‌دار
لوازم خانگیفوم سختیخچال، فریزر، مخزن آب گرم
مبلمان و لوازم خوابفوم انعطاف‌پذیر و ویسکوالاستیکمبل، تشک، بالش
خودروفوم انعطاف‌پذیر و پوسته یکپارچهصندلی، جاآرنجی، فرمان
تزئیناتفوم سختقرنیز سقفی، گل سقف، قطعات طرح چوب
آب‌بندی و پوشش‌هاپلی‌اوره، پوشش‌های پلی‌یورتانبام، تراس، پوشش داخلی مخازن

برای قطعات قالبی، جداکننده قالب کمک می‌کند قطعه تمیز از قالب بیرون بیاید. JiTPOL سیستم‌هایی برای عایق‌کاری، فوم کوسن، پوسته یکپارچه و کاربردهای اسپری عرضه می‌کند: سیستم‌های سخت، انعطاف‌پذیر، ویسکوالاستیک، پوسته یکپارچه و اسپری ما را ببینید.

۵. آیا پلی‌یورتان مضر است؟

پاسخ به این بستگی دارد که منظور محصول نهایی باشد یا مواد اولیه.

محصول نهایی پخت‌شده

طبق برگه اطلاعات مواد EUROPUR (انجمن اروپایی تولیدکنندگان بلوک فوم پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر)، فوم انعطاف‌پذیر پخت‌شده یک کالا طبقه‌بندی می‌شود، نه یک ماده خطرناک، و در استفاده عادی هیچ اثری بر پوست یا تنفس برای آن شناخته نشده است. با این حال باید در برابر گرد و غباری که هنگام برش یا سنباده‌زنی فوم تولید می‌شود از وسایل حفاظتی مناسب استفاده کرد و هنگام کار با فوم تازه‌ساخته دستکش پوشید. این گفته درباره فوم انعطاف‌پذیر است؛ برای فوم سخت، اسپری فوم و سایر محصولات پلی‌یورتان، برگه‌های اطلاعات خود محصول را بررسی کنید.

مواد اولیه و کسانی که با آن‌ها کار می‌کنند

ایزوسیانات‌ها، که ماده اولیه‌اند، می‌توانند حساسیت آلرژیک پوست و مجاری تنفسی ایجاد کنند. کار با آن‌ها باید به دست افراد آموزش‌دیده، در محیط‌هایی با تهویه مناسب و با تجهیزات حفاظت فردی مناسب انجام شود. در اتحادیه اروپا، مقررات (EU) 2020/1149 کاربران صنعتی و حرفه‌ای محصولات حاوی ۰٫۱ درصد وزنی یا بیشتر دی‌ایزوسیانات را 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. همیشه برگه اطلاعات ایمنی (SDS) هر محصول را بخوانید.

سوزاندن

سوزاندن پلی‌یورتان دود غلیظ و گازهای سمی آزاد می‌کند؛ بنابراین ضایعات پلی‌یورتان را هرگز نباید در فضای باز سوزاند.

۶. آیا پلی‌یورتان می‌سوزد؟

بله، پلی‌یورتان ماده‌ای قابل اشتعال است. رفتار آن در آتش به نوع محصول، چگالی، وجود یا نبود دیرسوزکننده‌ها و نحوه قرارگیری آن در پانل یا دیوار بستگی دارد. در اروپا رده واکنش در برابر آتش یک محصول ساختمانی با آزمون تعیین و بر اساس EN 13501-1 طبقه‌بندی می‌شود و در گزارش طبقه‌بندی و اعلامیه عملکرد محصول ذکر می‌شود. به همین اسناد تکیه کنید، نه به عباراتی کلی مانند «پلی‌یورتان ضدحریق». اصطلاحاتی مانند «دیرسوز» اغلب فقط به آزمون‌های اشتعال در مقیاس کوچک اشاره دارند و خطر را در یک آتش‌سوزی بزرگ توصیف نمی‌کنند.

۷. پلی‌یورتان و سایر مواد عایق

در مقایسه با یونولیت (پلی‌استایرن منبسط یا EPS)، XPS و پشم سنگ، آشکارترین تفاوت پلی‌یورتان سخت این است که ضریب هدایت حرارتی پایین آن همان میزان عایق‌بندی را با لایه‌ای نازک‌تر فراهم می‌کند. در جاهایی که ضخامت و وزن اهمیت دارند، مانند پانل و سردخانه، همین تفاوت انتخاب را تعیین می‌کند. در مقابل، پشم سنگ عموماً غیرقابل اشتعال طبقه‌بندی می‌شود (Euroclass A1 یا A2؛ اعلامیه عملکرد محصول را بررسی کنید) و ممکن است در جاهایی که رده آتش در اولویت است ترجیح داده شود. انتخاب درست به توان عایقی موردنیاز، ضخامت، شرایط رطوبتی، الزامات آتش و بودجه بستگی دارد؛ هر ماده را با مقدار λ اعلام‌شده خودش مقایسه کنید.

۸. محیط زیست و بازیافت

بیشتر پلی‌یورتان‌ها ترموست‌اند: ساختار شبکه‌ای آن‌ها اجازه نمی‌دهد ذوب شوند و دوباره شکل بگیرند (پلی‌یورتان ترموپلاستیک یا TPU استثناست)؛ از این رو بازیافت آن‌ها دشوارتر از ترموپلاستیک‌هاست، اما امکان‌پذیر است. تکه‌های بریده‌شده فوم انعطاف‌پذیر خرد می‌شوند و دوباره به هم چسبانده می‌شوند (ری‌باند) و به محصولاتی مانند زیرانداز موکت تبدیل می‌شوند. روش‌های شیمیایی مانند گلیکولیز فوم را به محصولی سرشار از پلی‌ال تجزیه می‌کنند که می‌تواند تا حدی جایگزین پلی‌ال نو شود. پسماندی که قابل بازیافت نیست می‌تواند برای بازیابی انرژی در زباله‌سوزهای کنترل‌شده با پالایش گازهای خروجی سوزانده شود؛ سوزاندن در فضای باز هرگز پذیرفتنی نیست. طبق گفته ISOPA، به دلیل محدود بودن تأسیسات و هزینه‌های بالا، نرخ بازیافت همچنان پایین است. در فوم‌های عایق، عوامل دمنده‌ای که به لایه ازن آسیب می‌زدند (نخست CFC‌ها و سپس HCFC‌ها) به‌تدریج کنار گذاشته شده‌اند؛ در اروپا عمدتاً پنتان جایگزین آن‌ها شده و برخی سیستم‌ها از عوامل نوع HFO استفاده می‌کنند. برای جزئیات، راهنمای ما با عنوان بازیافت پلی‌یورتان: مکانیکی و شیمیایی را ببینید.

۹. چگونه سیستم مناسب را انتخاب کنیم؟

انتخاب نوع پلی‌یورتان به محصولی که می‌سازید و روش ساخت آن بستگی دارد. این پرسش‌ها شما را به سیستم مناسب می‌رسانند:

شرکت‌هایی که برای پاسخ به این پرسش‌ها مخلوط‌های دوجزئی آماده توسعه می‌دهند، سیستم‌هاوس نامیده می‌شوند. JiTPOL یک سیستم‌هاوس پلی‌یورتان در بورسا است که چنین سیستم‌هایی را توسعه می‌دهد و عرضه می‌کند. می‌توانیم در انتخاب سیستم کمک کنیم و برگه اطلاعات فنی (TDS) و برگه اطلاعات ایمنی (SDS) موردنیاز شما را بفرستیم.

پرسش‌های متداول

منابع

  1. ISOPA: پلی‌یورتان چیست؟ (به انگلیسی)
  2. ISOPA: پرسش‌های متداول پلی‌یورتان (به انگلیسی)
  3. PU Europe: عایق پلی‌یورتان (به انگلیسی)
  4. EUROPUR: برگه اطلاعات مواد، فوم پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر (به انگلیسی)
  5. برگه اطلاعاتی ISOPA: فوم انعطاف‌پذیر ری‌باند (به انگلیسی)
  6. ویکی‌پدیا: پلی‌یورتان
  7. OSHA: خطرات ایزوسیانات‌ها (به انگلیسی)
  8. مقررات کمیسیون اروپا (EU) 2020/1149 (دی‌ایزوسیانات‌ها، پیوست XVII مقررات REACH) (به انگلیسی)
توجه: این مقاله برای اطلاع‌رسانی عمومی است. انتخاب محصول، ایمنی و عملکرد در برابر آتش به فرمولاسیون و کاربرد مشخص بستگی دارد؛ همیشه برگه اطلاعات فنی، برگه اطلاعات ایمنی و گزارش‌های آزمون محصول را بررسی کنید.