اختصاصی بسپار/ پلی یورتان‌ها برای آینده (روندها و تحولات نوین در صنعت پلی‌یورتان)
بسپار/ایران پلیمر صنعت پلی‌یورتان، به عنوان یکی از پرکاربردترین شاخه‌های پلیمرهای مهندسی، اکنون در نقطه‌ی عطفی از تحول فناورانه، زیست‌محیطی و تنظیم‌گری قرار گرفته است. پلی‌یورتان‌ها که به دلیل تنوع ساختاری، خواص مهندسی مطلوب و کارایی اقتصادی در طیف وسیعی از کاربردها – از فوم‌های نرم و سخت گرفته تا پوشش‌ها، چسب‌ها و قطعات پزشکی – حضور پررنگی دارند، اکنون با چالش‌ها و فرصت‌های نوینی روبرو شده‌اند که مسیر آینده این صنعت را تعیین می‌کند.
- توسعه پلی‌یورتان‌های پایدار
- پلی‌اُل‌های زیست‌پایه:
پلی‌ال‌ها (در کنار ایزوسیانات‌ها) یکی از دو جزء اصلی در سنتز پلی‌یورتان‌ها هستند. سهم پلی‌ال‌ها در تعیین خواص مکانیکی، ساختاری، شیمیایی و فرآیندی پلی‌یورتان بسیار مهم است. با توجه به نگرانی‌های زیست‌محیطی، کاهش وابستگی به منابع نفتی و الزامات پایداری، توسعه پلی‌ال‌های زیست‌پایه از منابع تجدیدپذیر به‌عنوان یکی از محورهای کلیدی تحقیق و توسعه در صنعت پلی‌یورتان مطرح شده است.
منابع و مسیرهای تولید پلی‌ال زیست‌پایه
- روغن‌های گیاهی (Vegetable Oils)
از منابعی همچون روغن کرچک، سویا، کلزا، آفتابگردان و …
مسیرهای شیمیایی تبدیل:
تولید پلی‌ال‌های هیدروکسیل‌دار از پیوندهای دوگانه موجود در اسیدهای چرب از طریق اپوکسیداسیون + واکنش با آب/الکل
ترا استری شدن برای افزایش تعداد گروه‌های هیدروکسیل.
نمونه صنعتی این روش شرکت Emery Oleochemicals (Eco-Friendly Polyols) و Cargill BiOH® polyols
- پلی‌ال‌های به دست آمده از کربوهیدرات‌ها
از منابعی چون گلوکز، سوربیتول، سلولز، نشاسته.
با تبدیل شیمیایی نشاسته یا سلولز به پلی‌ال‌های پلی‌اتری یا پلی‌استری از طریق آبکافت و سپس آلکوکسیلاسیون (واکنش افزایشی گروه‌های آلکوکسی) انجام می‌پذیرد. اما محدودیت‌هایی چون ویسکوزیته بالا، توزیع وزن مولکولی گسترده، ناسازگاری با برخی ایزوسیانات‌ها را به همراه دارند.
- پلی‌ال‌های به دست آمده از لیگنین و زیست‌توده لیگنوسلولزی (Lignocellulosic Biomass)
مسیرهای شیمیایی تبدیل:
آبکافت و آلکوکسیلاسیون لیگنین برای ایجاد گروه‌های هیدروکسیلی واکنش‌پذیر.
استری‌سازی لیگنین سولفوناته.(تبدیل گروه‌های قطبی موجود در لیگنین به استر، از طریق واکنش با اسیدهای آلی یا مشتقات آن‌ها)
اما چالش‌های پیشرو در مسیر استفاده از پلی‌ال‌های زیست پایه:
- کاهش هزینه تولید نسبت به پلی‌ال‌های نفت‌پایه.
- بهبود سازگاری شیمیایی با ایزوسیانات‌ها.
- کنترل وزن مولکولی و میزان گروه‌های هیدروکسیل.
- پلی‌ال‌های برپایه دی‌اکسید کربن (CO₂-based Polyols)
فناوری‌هایی نظیر Cardyon® شرکت Covestro امکان واردسازی مستقیم دی‌اکسیدکربن به ساختار پلی‌اُل‌ها را فراهم کرده‌اند.
- پلی‌یورتان‌های بدون ایزوسیانات(NIPU)
پلی‌یورتان‌ها در سنتز سنتی از واکنش بین پلی‌ال و ایزوسیانات‌های آلی (معمولاً TDI یا MDI) تولید می‌شوند. با اینکه ایزوسیانات‌ها جز ضروری این فرآیند هستند، اما مشکلات جدی دارند:
- سمیت بالا: ایزوسیانات‌ها شدیدا حساسیت‌زا (sensitizers) هستند و در مواجهه استنشاقی می‌توانند باعث آسم شوند.
- مقررات سخت‌گیرانه: در اروپا، طبق مقررات REACH استفاده از MDI/TDI محدود شده و نیاز به اقدامات حفاظتی خاص و آموزش استفاده دارد.
- عدم تجزیه‌پذیری زیستی: سامانه‌های PU اغلب گرماسخت، غیرقابل بازیافت و غیرزیست‌تخریب‌پذیرند.
و اما ایده تولید پلی‌یورتان‌هایی بدون استفاده از ایزوسیانات، نخستین بار در دهه ۱۹۸۰ مطرح شد، ولی در دو دهه اخیر با پیشرفت جدی رو به رو شده است.
شیمی پایه پلی‌یورتان‌های بدون ایزوسیانات
مسیر اصلی سنتز NIPUها: واکنش کربنات‌های حلقوی با آمین‌ها
این مسیر واکنش دهنده‌های اصلی را جایگزین ایزوسیانات‌ها می‌کند:
- کربنات حلقوی + دی‌آمین → پلی‌یورتان
فرآیند به صورت زیر است:
- اپوکسید → + CO₂ کربنات حلقوی
- کربنات حلقوی + دی‌آمین → پلی‌هیدروکسی‌یورتان (PHU)
در این واکنش:
- گروه یورتان بدون ایزوسیانات تشکیل می‌شود.
- یک گروه OH به‌صورت جانبی ایجاد می‌شود که خواص آب دوستی بیشتر نسبت به PU سنتی.
مسیرهای سنتزی و مواد اولیه NIPU
ساخت کربنات‌های حلقوی
- منابع اولیه: اپوکسیدهای حاصل از روغن‌های گیاهی، مانند روغن سویا، روغن کرچک
- واکنش: اپوکسید + CO₂ → کربنات حلقوی
- کاتالیزورها Zn(II), Cr(III), یا آنزیم‌ها
آمین‌ها
- دی‌آمین‌های آلیفاتیک: مانند اتیلن دی‌آمین، هگزامتن دی‌آمین
- آمین‌های آروماتیک یا اصلاح‌شده برای بهبود خواص مکانیکی
- بازیافت‌پذیری
انواع بازیافت پلی‌یورتان‌ها
- بازیافت مکانیکی (Mechanical Recycling)
شامل خرد کردن، دانه‌سازی و استفاده مجدد به عنوان پرکننده یا ماده اصلاح‌کننده در تولید محصولات جدید است. که معمولاً برای فوم‌های سخت و نیمه‌سخت مناسب است. و گاها خواص مکانیکی را با کاهش روبه رو کرده و امکان بازیافت مکرر را محدود می‌سازد.
- بازیافت شیمیایی (Chemical Recycling)
در این روش پیوندهای یورتانی شکسته می‌شوند تا اکپار یا چندپار اولیه بازسازی شوند.
نوآوری‌های صنعتی و تجاری در بازیافت PU
Covestro فناوری RENUVA™
- بازیافت فوم پلی‌یورتان سخت حاصل از تشک‌های مصرف‌شده به پلی‌ال بازیافتی
- استفاده مجدد از پلی‌ال برای تولید PU جدید
Recyclamine® از شرکت Connora Technologies
- سامانه‌های اپوکسی قابل بازیافت
- توسعه پلیمرهایی با امکان وابسپارش در شرایط معمولی
چالش‌های اساسی در مسیر بازیافت کامل PU
- طیف وسیع مواد اولیه PU بازیافت را پیچیده می‌کند
- حضور رنگ‌دانه، پایدارکننده و پرکننده‌ها بازیافت را دشوار می‌کند
- کیفیت و خواص پلی‌ال‌های بازیافتی اغلب با پلی‌ال‌های اولیه متفاوت است و کنترل فرمول‌بندی سخت‌تر می‌شود.
- در بسیاری از موارد هزینه بازیافت از تولید پلی‌یورتان جدید بیشتر است.
طراحی بر مبنای شیمی پویا
استفاده از پیوندهای کووالانسی پویا در ساختار پلی‌یورتان‌ها امکان فرآوری مجدد پلی‌یورتان‌های گرماسخت را فراهم کرده است.
- روندهای نوین در کاربردها
خودروسازی و حمل‌ونقل
- توسعه فوم‌های سبک و لاستیک‌های مقاوم به سایش برای کاهش وزن و بهبود کارایی خودروها.
- طراحی فوم‌های با میزان بازگشت‌پذیری بالا (memory foams) برای داشتن صندلی‌های راحت‌تر در خودروها
- سامانه‌های پوشش‌دهی و درزگیر مقاوم به حرارت برای ماژول‌های باتری خودروهای الکتریکی.
ساختمان و عایق
- تولید فوم‌های سخت با هدایت حرارتی پایین و مقاومت در برابر آتش (استاندارد Euroclass A).
- استفاده از عامل‌های پف‌زا با ضریب پتانسیل گرمایش جهانی (GWP) پایین مانند HFOها.
- تولید فوم‌های کم VOC و فاقد HCFC
پزشکی و سلامت
- لاستیک‌های زیست‌تجزیه‌پذیر برای ساخت داربست‌های مهندسی بافت.
- توسعه پلی‌یورتان‌های هوشمند با خاصیت حافظه‌شکلی برای کاشتنی‌ها در بدن.
پوشش‌ها و رنگ‌ها
- توسعه پوشش‌های بر پایه آب (Waterborne PU) و بدون ایزوسیانات (NIPU)
- پوشش‌های هوشمندو خودترمیم‌شونده با حساسیت به دما یا رطوبت
- پوشش‌های پلی یورتانی آنتی‌باکتریال در تجهیزات پزشکی و فضاهای عمومیشرکت‌های کلیدی و پیشرو
- Covestro تولید پلی‌اُل‌های پایه CO₂و پروژه‌های بازیافت پلی‌یورتان
- BASF توسعه پلی‌یورتان‌های هوشمند و زیست‌پایه.
- Dow تمرکز بر روی فوم‌های عایق و پوشش‌های صنعتی.
- Evonik توسعه کاتالیزگرهای خاص و افزودنی‌های پایدار.
- نتیجه‌گیری
آینده‌ی صنعت پلی‌یورتان نه در تکرار مسیر گذشته، بلکه در نوآوری شیمیایی، مهندسی پایداری، و پاسخ هوشمندانه به مقررات جهانی رقم خواهد خورد. سازمان‌ها و شرکت‌های این حوزه، با سرمایه‌گذاری در تحقیق‌وتوسعه‌ی پلی‌یورتان‌های زیست‌پایه، ایمن و قابل بازیافت، می‌توانند ضمن حفظ مزیت رقابتی، به توسعه‌ای پایدار و همگام با آینده دست یابند.
مراجع
- Petrović, Z. S. (2008). Polyurethanes from Vegetable Oils. Polymer Reviews, 48(1), 109–155.
- Gama, N. et al. (2018). “Bio-based polyols for polyurethane rigid foams: a review.” Polymer Testing, 65, 330–343.
- Laurichesse, S., Avérous, L. (2014). “Chemical modification of lignins: Towards biobased polymers.” Progress in Polymer Science, 39(7), 1266–1290.
- Cornille, A. et al. (2017). “A perspective approach to non-isocyanate polyurethanes.” European Polymer Journal, 87, 535–552.
5.Gama, N. et al. (2018). “Polyurethane foams: Past, present, and future.” Materials, 11(10), 1841.
- www.basf.com
7.www.covestro.com
- www.dow.com
9. www.evonik.com
تدوین: مهندس گلرخ فرد ذوالفقاری
