اختصاصی بسپار/ تولید پلی‌یورتان بدون ایزوسیانات!
گروه ترجمه و تولید محتوا در بسپار/ایران پلیمر پلی‌یورتان از تشک و صندلی خودرو تا عایق‌های ساختمانی، پوشش‌ها و تجهیزات پزشکی کاربرد دارد، اما تولید متداول آن به ایزوسیانات‌ها وابسته است؛ موادی که می‌توانند حساسیت‌های پوستی و تنفسی و حتی آسم ایجاد کنند. اکنون چهار موسسه پژوهشی Fraunhofer در آلمان موفق شده‌اند پلی‌یورتانی تولید کنند که نه‌تنها به ایزوسیانات نیاز ندارد، بلکه از کربن‌دی‌اکسید (CO₂) به‌عنوان یکی از مواد اولیه استفاده می‌کند.
این دستاورد در پروژه CO2NIPU به سرپرستی موسسه Fraunhofer IAP و با مشارکت موسسه‌های ICT، IFAM و UMSICHT حاصل شده است. هدف، توسعه مسیری برای تولید پلی‌یورتان است که ضمن حذف ایزوسیانات‌ها، امکان استفاده از کربن بازیافتی را نیز فراهم کند.
حذف ایزوسیانات بدون تغییر ساختار پلی‌یورتان
در روش متداول، پلی‌یورتان از واکنش پلی‌ال‌ها با ایزوسیانات‌هایی مانند MDI و TDI تولید می‌شود. خطرات این مواد به‌ویژه هنگام تولید و فراورش اهمیت دارد. اتحادیه اروپا نیز از اوت ۲۰۲۳ استفاده حرفه‌ای از محصولات دارای بیش از ۰.۱ درصد تکپار دی‌ایزوسیانات را به گذراندن آموزش‌های ویژه مشروط کرده است.
در روش جدید، پژوهشگران به‌جای ایزوسیانات از دی‌کاربامات (Dicarbamate) استفاده کرده‌اند. این ماده در فرایندی تحت فشار ۵۰ بار، از واکنش CO₂، متانول و دی‌آمین‌ها تولید می‌شود.
دی‌کاربامات سپس با دی‌ال‌های بسپاری و مواد زنجیره‌افزا ترکیب می‌شود. اجزا در دمای ۱۸۰ تا ۱۹۰ درجه‌ی سلسیوس ذوب و مخلوط می‌شوند تا پلی‌یورتان نهایی شکل بگیرد.
به گفته پژوهشگران Fraunhofer، ساختار مولکولی پلی‌یورتان حاصل با پلی‌یورتان متداول یکسان است. بنابراین می‌توان از بخشی از دانش و تجربه صنعتی موجود برای فراورش این مواد استفاده کرد.
واکنشی کندتر، اما قابل‌کنترل‌تر
یکی از تفاوت‌های مهم این فناوری، زمان واکنش است. در حالی که تولید پلی‌یورتان متداول اغلب ظرف چند دقیقه انجام می‌شود، فرایند جدید شش تا هشت ساعت زمان میبرد.
این زمان طولانی در نگاه نخست یک محدودیت صنعتی به نظر می‌رسد، اما پژوهشگران معتقدند واکنش آهسته‌تر امکان کنترل بهتر فرایند، کاهش پسماند و محدودکردن نوسان کیفیت محصول را فراهم می‌کند.
از سوی دیگر، شباهت این روش به فرایندهای بسپارش تراکمی، مانند تولید PET، می‌تواند مسیر افزایش مقیاس تولید را هموارتر کند.
نخستین کاربرد؛ لوله‌های پزشکی
یکی از نخستین محصولات توسعه‌یافته با این فناوری، لوله‌های زیست‌سازگار میزآب‌های پزشکی است.
به گفته Fraunhofer IAP، پلی‌یورتان‌های جدید اتصالات عرضی کم‌تری دارند، ذرات ژلی تشکیل نمی‌دهند و یکنواختی مناسبی میان بچ‌های تولیدی نشان می‌دهند؛ ویژگی‌هایی که برای تجهیزات پزشکی اهمیت زیادی دارند.
موسسه Fraunhofer IFAM نیز با استفاده از همین سامانه در حال توسعه چسب‌هایی برای اتصال کانولا به لوله‌های پزشکی است.
استفاده از CO₂ در پلی‌یورتان چه تفاوتی با گذشته دارد؟
استفاده از کربن‌دی‌اکسید در تولید پلی‌یورتان موضوع کاملا جدیدی نیست. شرکت Covestro در سال ۲۰۱۶ واحدی با ظرفیت سالانه پنج هزار تن در Dormagen آلمان راه‌اندازی کرد که در آن CO₂ جایگزین حدود ۲۰ درصد از مواد اولیه بخش پلی‌ال می‌شود.
اما در آن روش، پلی‌ال تولیدشده هم‌چنان باید با ایزوسیانات واکنش دهد. تفاوت اصلی پروژه CO2NIPU حذف کامل ایزوسیانات از مسیر تولید است.
پژوهشگران هم‌چنین در نظر دارند بخشی از دی‌آمین‌های مورد نیاز را از بازیافت شیمیایی پلی‌یورتان‌های مصرف‌شده تامین کنند؛ اقدامی که می‌تواند استفاده از مواد اولیه نو را بکاهد.
چالش‌های پیش از تجاری‌سازی
با وجود نتایج امیدوارکننده، این فناوری هنوز با چند محدودیت روبه‌رو است. CO₂ از نظر شیمیایی مولکولی کم‌واکنش است و تبدیل آن به ماده اولیه به انرژی، فشار یا یاریگر نیاز دارد. هم‌چنین کربن واردشده به پلی‌یورتان برای همیشه ذخیره نمی‌شود و در صورت سوزاندن محصول در پایان عمر، دوباره به شکل CO₂ آزاد خواهد شد.
از طرف دیگر، هرچند تولید پلی‌یورتان‌های گرمانرم بدون ایزوسیانات امکان‌پذیر شده، توسعه فرمول‌بندی‌های واکنش‌پذیر برای اسفنج‌ها، پوش‌رنگ‌ها و چسب‌ها هم‌چنان به پژوهش‌های بیش‌تری نیاز دارد.
اکنون پرسش اصلی این است که آیا این فناوری می‌تواند از مقیاس آزمایشگاهی و نیمه‌صنعتی به تولید اقتصادی در مقیاس بزرگ برسد یا نه. موفقیت آن می‌تواند برای صنعت پلی‌یورتان دو دستاورد هم‌زمان داشته باشد: کاهش وابستگی به ایزوسیانات‌های خطرناک و استفاده از CO₂ به‌عنوان منبع کربن در تولید مواد بسپاری.
