بسپار/ ایران پلیمر با سخت و پيچيده‌تر شدن قوانين زيست محيطي با هدف كاهش تدريجي و حذف نهايي آلاينده‌هاي فرار آلي (VOC[1]) در مواد پوششي و چسب‌ها، كاربرد پراكنه‌هاي پلي‌يورتان (PUD[2]) آب‌پايه، روز به روز گسترش تجاري بيشتري يافته و با اقبال چشمگيري روبرو شده ‌است. پيشرفت‌هاي به‌دست‌آمده در شيمي و فناوري توليد سامانه‌هاي آب‌پايه و نيز افزايش دانش فني در فرمول‌بندي محصولات متنوع با PUDها، تغيير الگوي مصرف صنعت از سامانه‌هاي حلال‌پايه به سمت آب‌پايه را هرچه بيشتر تسهيل كرده و شتاب بخشيده ‌است. اكنون پوشش‌هاي آب‌پايه‌اي در دسترس‌اند كه ويژگي‌هاي كاركردي نهايي آن‌ها با همتايان حلال‌پايه‌شان برابر است و حتي در مواردي برتري‌هايي نيز به آن‌ها دارند. در اين مقاله PUDها را با تمركز بر شيمي و فناوري ساخت معرفي كرده و در ادامه به معرفي يورتان/اكريليك‌ها و كاربردهاي آن‌ها خواهيم پرداخت.

مقدمه

پلي‌يورتان‌ها خانواده‌اي از بسپارها با ويژگي‌هاي بسيار متنوع هستند كه آزادي عمل گسترده‌اي را در اختيار طراح این پلیمرها براي ساخت محصول مناسب قرار مي‌دهند. كاربرد پلي‌يورتان‌ها آن‌چنان گسترده ‌است كه پوشش‌ها، چسب‌ها، درزگيره  و الاستومرها را دربرمي‌گيرد. اين تنوع در ساختار دوگانه سخت/نرم پلي‌يورتان‌ها ريشه دارد. پارة نرم معمولاً از پلي‌اُل و پاره سخت از دي‌ايزوسيانات ساخته‌ مي‌شود. جدايي فازي موجب مي‌شود كه پارة سخت در مواضعي از ماتريس پارة نرم تجمع يابد. PUDها از اين نظر با پلي‌يورتان‌هاي معمول حلال‌پايه و رطوبت‌پز  وجه مشترك دارند و بنابراين از لحاظ نظري، حوزه كاربردي آن‌ها به همان ميزان گسترده است. مزيت ديگر اين ساختار دوگانه، ويژگي تشكيل فيلم عالي است كه ذاتاً از Tg كم پاره نرم ناشي مي‌شود.

اگرچه شيمي و فناوري PUD از بيش از 30 سال پيش شناخته شده بوده ‌است  ، ملاحظه ر‌شد تعداد پروانه‌هاي ثبت اختراع نشان‌گر اين واقعيت است كه اين خانواده تنها در 20 سال اخير اهميت تجاري يافته‌اند.

همان‌طور كه اشاره شد، محرك اين رشد سريع، امكان ساخت پوشش‌ها و چسب‌هايي با محتواي حلال كمكي اندك و يا بدون حلال بوده كه با خود مزاياي زيست‌محيطي، عدم سميت، اشتعال‌ناپذيري و عدم آلايندگي هوا را همراه كرده ‌است. ضمناً ويژگي‌هاي كاركردي استثنائي مانند چقرمگي[5]، مقاومت سايشي، سختي، انعطاف‌پذيري در سرما، مقاومت شيميايي و چسبندگي، PUDها را به گزينه‌اي مطلوب در كاربرد پوشش‌هاي سطح بدل كرده ‌است.

در اين مقاله به معرفي سيستم‌هاي پوششي پلي‌يورتاني آب‌پايه، ويژگي‌هاي آن‌ها و مزايا و معايبشان در مقايسه با ساير امولسيون‌هاي متداول مصرفي مانند اكريليك‌ها پرداخته‌ می شود.

كاربردهاي پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني

 پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني معمولا در غالب مواردي كه پلي‌يورتان‌هاي حلال‌ـ‌پايه كاربرد دارند، استفاده مي‌شوند. مهم‌ترين زمينه‌هاي كاربرد آن‌ها عبارتند از:

–         پوشش‌هاي محافظ و تزئيني (سطوح پلاستيكي، فلزي، چوبي، سيماني، چرم مصنوعي)

–         كف‌پوش‌ (PVC و سيماني)

–         چسب (نواري، چندلايه‌اي‌ها (laminate))

–         درزگیر

–         مركب چاپ

بسته به ويژگي‌هاي مورد نظر در هر كاربرد، هر يك از محصولات پلي‌يورتاني امولسيوني خالص، آميخته با امولسيون اكريليك يا كوپليمر شده با اكريليك قابل استفاده هستند.

ويژگي‌هاي پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني

سيستم‌هاي پوششي بر پايه امولسيون‌هاي پلی يورتانی، ويژگي‌هاي كاربردي منحصر به فردي از خود نشان داده‌اند. این ویژگی‌ ها شامل مقاومت های مکانیکی بالا (مقاومت به ضربه، مقاومت کششی، مقاومت سایشی)، مقاومت های شیمیایی بالا به آب و حلال و مقاومت جوی مناسب در برابر اشعه UV می‌ شوند. به همين دليل در دهه اخير، ميزان استفاده از آن‌ها در صنايع مختلف روز به روز افزايش يافته است.

ديگر مزاياي اين سيستم‌هاي پوششي عبارت است از خشك شدن فيزيكي، تك جزئي و غير سمي بودن، تشكيل فيلم در دماي محيط و وزن مولكولي زياد در گرانروي كم.

ساختار شيميايي يورتان‌هاي آب‌پايه بسيار انعطاف‌پذير است و امكان مهندسي توليد محصولات متنوع با ويژگي‌هاي مختلف را فراهم مي‌سازد. عوامل متعددي در تعيين اين ويژگي‌ها دخالت دارند كه در ادامه به طور مختصر به آن‌ ها پرداخته می شود.

پلي‌يورتان‌ها عموما از بسپارش دي‌ال‌ها يا پلي‌ال‌ها با ايزوسيانات توليد مي‌شوند و واكنش بسپارش آن ها از نوع تراكمي يا مرحله‌اي است. فرآيند بسپارش پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني شامل 4 مرحله از جمله، تهیه پیش پلیمر، خنثی سازی، پراکنش و رشد می شود.

عوامل مؤثر بر ويژگي‌هاي كاربردي پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني

مهمترين عوامل در تعيين رفتار فيزيكي پلي‌يورتان‌ها عبارتند از:

– نوع ايزوسيانات

– نوع دي‌ال يا پلي‌ال

– حضور حلال‌هاي كمكي مثل NMP

– حضور عوامل شبكه‌اي كننده

نوع ايزوسيانات

پلي‌يورتان‌هاي آب پايه بسته به نوع ايزوسيانات‌ و پلي‌ال موجود در ساختارشان، ويژگي‌هاي متفاوتي نشان مي‌دهند. به عنوان مثال ايزوسيانات‌هاي ارزان قيمت حلقوي TDI و MDI براي ساخت پوشش‌هاي بسيار سخت و مقاومي به‌كار مي‌روند كه مقاومت در برابر اشعه UV در آن‌ها الزامي نيست. در حالي‌كه ايزوسيانات‌هاي خطي مانند IPDI ، TXMDI و HDI براي توليد پوشش‌هاي با مقاومت UV زياد، استفاده مي‌شوند.

نوع پلي‌ال

همچنين در مورد پلي‌ال‌ها، با استفاده از پلي اترها، رزين‌هاي نرم وانعطاف‌پذير و مقاوم در برابر آبكافت به‌دست مي‌آيند. پلي استرها كه قطبيتشان بيشتر است، مقاومت سايشي، سختي و چسبندگي عالي ايجاد مي‌كنند وحاصل استفاده از پلي كربنات‌ها، رزين‌هايي با مقاومت شيميايي، حرارتي و جوي بسيار خوب است.

عوامل شبكه‌اي كننده

افزودن مقادير بسيار كم عوامل شبكه‌اي كننده، مقاومت شيميايي (حلال) را بهبود مي‌بخشد. به عنوان مثـال، پلي آزيريدين‌هاي چند عاملي و يا كربو ايميدها به عنوان عوامل شبكه‌اي كننده خارجي براي ساخت پوشش‌هايي كه در دماي محيط با رزين‌هاي ملامين و يا اوره پخت مي‌شوند، به‌كار مي‌روند.

كوپليمرهاي اكريليك‌‌ـ يورتان

امروزه، با توجه به بازارهاي رقابتي، مصرف كنندگان به استفاده از محصولاتي تمايل دارند كه بين هزينه و عملكرد تعادل منطقي برقرار كنند. پلي‌يورتان‌هاي امولسيوني در مقايسه با ساير مواد پوششي متداول در صنعت مانند امولسيون‌هاي اكريليك، قيمت بيشتري دارند كه اين تفاوت عمدتا مربوط به مواد اوليه گران‌تر و فناوري پيچيده‌شان مي‌باشد.

از آن‌جا كه امولسيون‌هاي يورتان سازگاري بسيار خوبي با ساير رزين‌هاي امولسيوني و خصوصا امولسيون‌هاي اكريليك دارند، از اوايل دهه 1980 استفاده از امولسيون‌هاي اكريليك به عنوان پيونده اشتراكي با پلي‌يورتان آغاز شد. در اين حالت مصرف كننده آزادي عمل دارد تا براي دست‌يابي به ويژگي‌هاي مورد نظر، اكريليك و پلي‌يورتان را با هر نسبت دلخواه بياميزد. استفاده از اكريليك‌ها علاوه بر كاهش قيمت نهايي محصول، مزاياي ديگري نيز دارند كه در جدول 1 آمده است.

جدول-1: ويژگي‌هاي امولسيون‌هاي اكريليك:

از آن‌جا كه از آميزش امولسيون‌هاي اكريليك و يورتان، بهبود چشمگيري در خصوصيات فيلم نهايي ظاهر نشد، در اواخر دهه 1980، نسل جديد كوپليمرهاي اكريليك‌ـ‌يورتان عرضه شدند كه ويژگي‌هاي فيلم نهايي آن‌ها بسيار جالب توجه بود (جدول 2). طراحي كوپليمرهاي اكريليك‌ـ‌يورتان به گونه‌اي است كه هر ذره شامل پوسته يورتاني و هسته اكريليكي است. بنابراين  هر ذره خصوصيات هر دو پليمر را در بر دارد. اين پليمرها را بدون حلال‌هاي كمكي نيز مي‌توان توليد كرد، بنابراين ميزان مواد فرار آلي در اين پيونده‌ها به كمترين حد و حتي صفر مي‌رسد. بعلاوه مصرف كننده با استفاده از محصولي تك جزئي به ويژگي‌هاي مورد نظر خود دست مي‌يابد اما امكان آميزش نسبت‌هاي دلخواه يورتان و اكريليك را از دست مي‌دهد.