Polyurethane (PUR và PU) là polymer tổng hợp từ liên kết hữu cơ carbamate (urethane). Phần lớn polyurethan được nhiệt rắn không biến đổi khi bị nung nóng, cũng có loại polyurethan bị nhiệt hóa biến đổi. Polyme polyurethane hình thành bởi phản ứng giữa một di- hoặc polyisocyanate với một polyol. Cả isocyanates và polyol được sử dụng để polyurethan có trung bình hai hoặc nhiều hơn nhóm chữa liên kết trong một phân tử.
Lịch sử
Otto Bayer và đồng nghiệp tại hãng IG Farben tại Leverkusen, Đức lần đầu tiên tạo ra polyurethanes vào năm 1937. Loại polyme mới có ưu điểm hơn so với nhựa truyền thống tạo bởi polyme hóa olefin hoặc polycondensation. Sản phẩm ban đầu dùng cho sản xuât sợi, cách nhiệt mềm và PU dùng với số lượng hạn chế cho bọc phủ máy bay trong Thế chiến II. Polyisocyanates trở thành thương mại hóa vào năm 1952, và việc sản xuất cách nhiệt mềm polyurethane bắt đầu vào năm 1954 sử dụng toluene diisocyanate (TDI) và polyester polyol. Những vật liệu này cũng được sử dụng để sản xuất tấm cách nhiệt rigid foams, kẹo cao su và elastomers. Sợi được sản xuất từ hexamethylene diisocyanate (HDI) và 1,4-butanediol (BDO).
Năm 1956 DuPont giới thiệu polyols polyether, loại đặc biệt poly (tetramethylene ether) glycol. BASF và Dow Chemical bắt đầu bán glycols polyalkylen năm 1957. Polyols Polyether rẻ hơn, dễ dàng xử lý và chịu nước tốt hơn polyols polyester, và trở nên phổ biến hơn. Năm 1960, hơn 45.000 tấn cách nhiệt polyurethane foam flexible được sản xuất. Sự sẵn có của nhà sản xuất chlorofluoroalkane, polyols polyether rẻ hơn, và methylene diphenyl diisocyanate (MDI) giúp polyurethane trở thành vật liệu cách nhiệt polyurethane rigid foams hiệu suất cao. Năm 1967, urethane-modified polyisocyanurate rigid foams giới thiệu làm tấm cách nhiệt tốt hơn và khả năng chống cháy cao hơn. Trong những năm 1960, các bộ phận an toàn nội thất ô tô, chẳng hạn như tấm cửa, được sản xuất nhự chịu nhiệt và tấm cách nhiệt semi-rigid foam.
Bắt đầu từ đầu những năm 1980, water-blown microcellular flexible foams được sử dụng làm chất làm kín cho tấm cửa ô tô và bộ lọc khí air filter seals), thay thế cho nhựa PVC plastisol. Thị phần sử dụng cho vật liệu ô tô tăng lên nhiều. Polyurethane foams sử dụng nhiều cho các ứng dụng chịu nhiệt trong nhà máy lọc dầu.
Trong những năm 1990, polyurethane hai thành phần và hybrid polyurethane-polyurea được dùng phun lót gầm xe ô tô và ứng dụng hàng hải quân sự cho Hải quân Mỹ. Polyurethane một thành phần được quy định là lớp phủ sàn cao độ bền theo tiêu chuẩn MIL-PRF-32.171 cho Hải quân Mỹ. Kỹ thuật này tạo lớp phủ composite chống mài mòn bề mặt kim loại, chống ăn mòn cho gầm xe.
Tính chất hóa học
Polyurethane được tạo ra từ hỗn hợp các polyme phản ứng bao gồm: epoxy, polyeste không no và phenolics. Polyurethane được sản xuất bởi phản ứng của một isocyanate có chứa hai hoặc nhiều nhóm isocyanate mỗi phân tử (R- (N = C = O) n ≥ 2) với một polyol chứa trung bình hai hoặc nhiều nhóm hydroxyl trên một phân tử (R '- (OH) n ≥ 2) với chất xúc tác và ánh sáng cực tím.
Tính chất của polyurethane chịu ảnh hưởng lớn bởi tính chất isocyanates và polyol được sử dụng để tạo thành. Nó có tính kéo dài và dẻo do tính chất các polyol, mềm do tính chất polymer đàn hồi. Khi mật độ nhiều liên kết ngang tạo thành polyme cứng hay còn gọi là rigid polymers. Chuỗi dài và mật độ liên kết ngang thấp tạo thành polymer co giãn. Chuỗi dài và liên kết ngang trung gian tạo thành polymer bọt foam. Liên kết chéo crosslinking trong polyurethan sẽ tạo ra polymer liên kết ba chiều và khối lượng phân tử rất cao. Việc này tạo ra polyurethane khối lượng phân tử lớn. Khi đó sẽ tạo thành polyurethan không bị mềm hoặc chảy dưới tác động nhiệt độ làm nón, hay còn gọi là polyme chịu nhiệt chống cháy. Việc lực chọn tỷ lệ isocyanates và polyol, chất phụ gia và điều kiện xử lý sẽ tạo ra polyurethan có tính năng rất rộng giúp nó trở thành chủng loại polyme được sử dụng rộng rãi.
Isocyanate là vật liệu rất phản ứng. Điều này rất có lợi trong quá trình tạo polyme nhưng cũng đòi hỏi cách bảo quản và sử dụng đặc biệt. Isocyanates thơm, diphenylmethane diisocyanate (MDI) hoặc toluene diisocyanate (TDI) thì phản ứng hơn isocyanates béo, như hexamethylene diisocyanate (HDI) hoặc isophorone diisocyanate (IPDI). Hầu hết các isocyanates là difunctional, có nghĩa là có hơn hai nhóm isocyanate cho mỗi phân tử. Có cả polyme diisocyanate diphenylmethane, là hỗn hợp của phân tử với hai, ba, thậm chí bốn nhóm isocyanate.
Polyol là các polyme có trung bình hai hoặc nhiều nhóm hydroxyl trên một phân tử. Polyols Polyether tạo thành chủ yếu bằng oxy hóa co-polymerizing ethylene và oxy hóa propylene với polyol tiền thân phù hợp. Polyester polyol được tạo ra tương tự như polyme polyester.