SEJARAH & BAHAN KIMIA POLYURETHANE

Sebuah polyurethane (PUR dan PU) adalah polimer terdiri dari rantai unit organik bergabung dengan karbamat (urethane) link. Polimer poliuretan dibentuk dengan menggabungkan dua monomer fungsional bi-atau lebih tinggi. Salah satu kelompok isosianat mengandung dua atau lebih fungsional dan yang lain berisi dua atau lebih kelompok hidroksil. Monomer yang lebih rumit juga digunakan. Alkohol dan kelompok isosianat bergabung untuk membentuk sebuah hubungan uretan:

     ROH + R'NCO → ROC (O) N (H) R '(R dan R' adalah gugus alkil atau aril)

Proses menggabungkan, kadang-kadang disebut kondensasi, biasanya membutuhkan kehadiran katalis.

Poliuretan digunakan dalam pembuatan tempat duduk yang fleksibel, ketahanan busa tinggi; panel insulasi busa kaku; segel mikroselular busa dan gasket; roda ban tahan lama dan elastomer; bushing suspensi otomotif, senyawa pot listrik; perekat kinerja tinggi, pelapis permukaan dan sealant permukaan; serat sintetis (misalnya Spandex); mendasari karpet, dan keras-plastik bagian (yaitu untuk alat-alat elektronik). Poliuretana juga digunakan untuk pembuatan selang karena menggabungkan sifat terbaik dari kedua karet dan plastik.

  

SEJARAH

Para perintis pada polimer poliuretan dilakukan oleh Otto Bayer dan rekan-rekan kerjanya pada tahun 1937 di laboratorium IG Farben di Leverkusen, Jerman [1]. Mereka mengakui bahwa menggunakan prinsip polyaddition untuk menghasilkan poliuretan dari diisocyanates cair dan polieter cair atau diol poliester tampaknya menunjukkan peluang khusus, terutama bila dibandingkan dengan plastik yang sudah ada yang dibuat oleh polimerisasi olefin, atau oleh polikondensasi. Kombinasi monomer baru juga dielakkan paten yang ada diperoleh oleh Wallace Carothers dari poliester [2] Awalnya., Pekerjaan difokuskan pada produksi serat dan busa fleksibel. Dengan pembangunan terkendala oleh Perang Dunia II (ketika PUS diterapkan pada skala terbatas sebagai pelapisan pesawat [2]), hal itu tidak sampai 1952 yang polyisocyanates menjadi tersedia secara komersial. Produksi komersial dari busa poliuretan yang fleksibel dimulai pada 1954, toluena diisosianat berdasarkan (TDI) dan poliol poliester. Penemuan busa ini (awalnya disebut imitasi keju swiss oleh penemu [2]) adalah berkat air sengaja diperkenalkan dalam campuran reaksi. [Kutipan diperlukan] Materi-materi ini juga digunakan untuk menghasilkan busa kaku, karet permen karet, dan elastomer. Serat linear diproduksi dari diisosianat heksametilena (IPM) dan 1,4-butanadiol (BDO).
Pertama yang tersedia secara komersial polieter poliol, poli (eter tetramethylene) glikol, diperkenalkan oleh DuPont pada tahun 1956 oleh polimerisasi tetrahidrofuran. Polialkilena glikol lebih murah diperkenalkan oleh BASF dan Dow Chemical pada tahun 1957. Polieter poliol menawarkan keuntungan teknis dan komersial seperti biaya rendah, kemudahan penanganan, dan stabilitas hidrolitik yang lebih baik dari poliol poliester dan cepat menggantikan mereka dalam pembuatan barang poliuretan. PU lainnya adalah pelopor Union Carbide dan Mobay, AS Monsanto / Bayer perusahaan patungan [2] Pada tahun 1960 lebih dari 45.000 metrik ton busa poliuretan yang fleksibel diproduksi.. Sebagai dekade berkembang, ketersediaan agen chlorofluoroalkane bertiup, polieter poliol murah, dan metilena difenil diisosianat (MDI) menandakan pengembangan dan penggunaan busa poliuretan kaku sebagai bahan isolasi kinerja tinggi. Busa kaku berdasarkan polimer MDI (PMDI) menawarkan stabilitas termal yang lebih baik dan karakteristik pembakaran daripada berdasarkan TDI. Pada tahun 1967, uretan dimodifikasi polyisocyanurate busa kaku diperkenalkan, menawarkan stabilitas lebih baik termal dan ketahanan mudah terbakar dibandingkan dengan low-density produk insulasi. Selama tahun 1960, komponen keselamatan otomotif interior seperti instrumen dan panel pintu yang diproduksi oleh kembali-mengisi kulit termoplastik dengan busa semi-kaku.
Pada tahun 1969, Bayer dipamerkan sebuah mobil semua plastik di Düsseldorf, Jerman. Bagian dari mobil ini diproduksi menggunakan proses baru yang disebut RIM, Reaksi Injection Molding. RIM menggunakan teknologi pelampiasan tekanan tinggi dari komponen reaktif cair diikuti oleh aliran yang cepat dari campuran reaksi ke dalam rongga cetakan. Bagian besar, seperti fasia otomotif dan panel bodi, bisa dibentuk dengan cara ini. Poliuretana RIM berkembang menjadi sejumlah produk yang berbeda dan proses. Menggunakan diamina Extenders rantai dan teknologi trimerization memberikan poli (uretan urea), poli (uretan isocyanurate), dan polyurea RIM. Penambahan pengisi, seperti kaca digiling, mika, dan serat mineral diproses memunculkan diperkuat RIM (RRIM), yang menyediakan perbaikan dalam modulus lentur (kekakuan), penurunan koefisien ekspansi termal dan stabilitas termal. Teknologi ini memungkinkan produksi mobil-tubuh plastik pertama di Amerika Serikat, Pontiac Fiero, pada tahun 1983. Kenaikan lebih lanjut dalam modulus lentur diperoleh dengan menggabungkan pra-ditempatkan tikar kaca ke rongga cetakan RIM, juga dikenal luas sebagai resin cetakan injeksi (teknologi proses yang juga mencakup poliester resin thermosetting, resin epoksida, dll) atau lebih khusus untuk sistem PUR sebagai SRIM, atau RIM struktural.
Dimulai pada awal 1980-an, air ditiup busa fleksibel mikroselular digunakan untuk cetakan gasket untuk panel dan filter udara radial segel di industri otomotif. Sejak itu, peningkatan harga energi dan tekanan untuk menghilangkan PVC plastisol dari aplikasi otomotif telah sangat meningkatkan pangsa pasar. Bahan baku lebih mahal diimbangi dengan penurunan yang signifikan dalam berat badan bagian dan dalam beberapa kasus, penghapusan topi akhir logam dan perumahan filter. Sangat penuh poliuretan elastomer, dan baru-baru terisi busa poliuretan yang sekarang digunakan dalam aplikasi suhu tinggi minyak filter.
Busa poliuretan (termasuk karet busa) sering dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil bahan yang mudah menguap, yang disebut meniup agen, ke campuran reaksi. Bahan kimia yang mudah menguap menghasilkan karakteristik kinerja penting, terutama pengurangan kepadatan, bantalan / penyerapan energi dan isolasi termal. Pada awal 1990-an, karena dampaknya terhadap penipisan ozon, Protokol Montreal menyebabkan penggunaan sangat berkurang banyak klor yang mengandung agen bertiup, seperti triklorofluorometana (CFC-11). Haloalkanes lainnya, seperti hydrochlorofluorocarbon 1,1-dikloro-1-fluoroethane (HCFC-141b), digunakan sebagai pengganti sementara sampai fasa mereka di bawah direktif IPPC pada gas rumah kaca pada tahunUni Eropa pada tahun 1997 (Lihat: Haloalkanes). Pada akhir 1990-an, penggunaan meniup agen seperti karbon dioksida, pentana, 1,1,1,2-tetrafluoroethane (HFC-134a) dan 1,1,1,3,3-pentafluoropropane (HFC-245fa) menjadi lebih luas di Amerika Utara dan Uni Eropa, meskipun agen bertiup diklorinasi tetap digunakan di banyak negara berkembang. [3]
Membangun semprot poliuretan teknologi lapisan yang ada dan kimia polyetheramine, pengembangan luas dua komponen polyurea elastomer semprot terjadi pada 1990-an. Reaktivitas yang cepat dan ketidakpekaan relatif terhadap kelembaban membuat mereka pelapis yang berguna untuk proyek-proyek area permukaan besar, seperti penahanan sekunder, lubang dan coating terowongan, dan pembebat tangki. Adhesi yang sangat baik untuk beton dan baja diperoleh dengan perlakuan permukaan yang tepat dan primer. Selama periode yang sama, baru dua komponen polyurethane dan hibrida poliuretan-polyurea teknologi elastomer digunakan untuk memasuki pasar spray-di-tempat liner beban tempat tidur dan aplikasi laut militer untuk US Navy. Bahkan poliuretan satu bagian yang ditentukan sebagai pelapis dek daya tahan tinggi di bawah MIL-PRF-32171 [4] untuk US Navy. Ini teknik untuk pelapisan menciptakan komposit, abrasi tahan tahan lama dengan substrat logam, dan menghilangkan korosi dan kerapuhan terkait dengan drop-in liners tidur termoplastik.

  

BAHAN KIMIA

Poliuretan berada dalam kelas senyawa yang disebut reaksi polimer, yang meliputi epoxies, poliester tak jenuh, dan fenolat [5] [6]. [7] [8] [9] Sebuah hubungan uretan diproduksi dengan mereaksikan isosianat kelompok,-N = C = O dengan kelompok (alkohol) hidroksil,-OH. Poliuretan dihasilkan oleh reaksi polyaddition dari poliisosianat dengan plyalcohol (poliol) dalam kehadiran katalis dan aditif lainnya. Dalam hal ini, poliisosianat adalah sebuah molekul dengan dua atau kelompok isosianat lebih fungsional, R-(N = C = O) n ≥ 2 dan poliol adalah molekul dengan dua atau lebih kelompok fungsional hidroksil, R'-(OH) n ≥ 2. Produk reaksi adalah polimer yang mengandung hubungan uretan,-RNHCNOR '-. Isosianat akan bereaksi dengan molekul yang berisi hidrogen aktif. Yang penting, isosianat bereaksi dengan air untuk lembentuk hubungan urea dan gas karbon dioksida, mereka juga bereaksi dengan polyetheramines untuk membentuk polyureas. Komersial, poliuretan diproduksi dengan mereaksikan isosianat cair dengan campuran cair dari poliol, katalis, dan aditif lainnya. Kedua komponen ini disebut sebagai sistem poliuretan, atau hanya sistem. Isosianat ini sering disebut di Amerika Utara sebagai 'sisi A-' atau hanya 'iso'. Campuran dari poliol dan aditif lainnya sering disebut sebagai 'sisi B-' atau sebagai 'poli'. Campuran ini juga bisa disebut 'resin' atau 'campuran resin'. Di Eropa arti untuk 'A-side' dan 'B-side' yang terbalik. Resin campuran aditif mungkin termasuk extender rantai, linker silang, surfaktan, flame retardants, agen bertiup, pigmen, dan pengisi.
Komponen penting pertama dari polimer poliuretan adalah isosianat tersebut. Molekul yang mengandung dua kelompok isosianat disebut diisocyanates. Molekul-molekul ini juga disebut sebagai monomer atau unit monomer, karena mereka sendiri digunakan untuk menghasilkan isosianat polimer yang mengandung gugus isosianat tiga atau lebih fungsional. Isosianat dapat digolongkan sebagai aromatik, seperti difenil diisosianat (MDI) atau toluena diisosianat (TDI), atau alifatik, seperti heksametilena diisosianat (HDI) atau isophorone diisosianat (IPDI). Sebuah contoh dari isosianat polimerik difenilmetan diisosianat polimer, yang merupakan campuran dari molekul dengan dua, tiga, dan empat-atau kelompok isosianat lebih, dengan rata-rata 2,7 fungsionalitas. Isosianat dapat lebih dimodifikasi oleh sebagian bereaksi dengan poliol untuk membentuk prepolimer. Sebuah prapolimer kuasi-terbentuk ketika rasio stoikiometri dari isosianat untuk gugus hidroksil lebih besar dari 2:1. Sebuah prapolimer sejati adalah terbentuk ketika rasio stoikiometri adalah sama dengan 2:1. Karakteristik penting dari isosianat adalah tulang punggung molekul mereka,% NCO konten, fungsionalitas, dan viskositas.
Komponen penting kedua dari polimer poliuretan adalah poliol tersebut. Molekul yang mengandung dua gugus hidroksil disebut diol, mereka dengan tiga kelompok hidroksil disebut triols, dan sebagainya. Dalam prakteknya, poliol dibedakan dari rantai pendek atau rendah-molekul extender rantai glikol berat dan linker lintas seperti etilena glikol (EG), 1,4-butanadiol (BDO), dietilena glikol (DEG), gliserin, dan trimethylolpropane (TMP) . Poliol adalah polimer di kanan mereka sendiri. Mereka dibentuk oleh basis-dikatalisasi penambahan propilena oksida (PO), etilena oksida (EO) ke inisiator yang mengandung hidroksil atau amina, atau dengan polyesterification dari suatu di-asam, seperti asam adipat, dengan glikol, seperti etilena glikol atau dipropilen glikol (DPG). Poliol diperpanjang dengan PO atau EO polieter poliol. Poliol yang dibentuk oleh poliol poliester polyesterification. Pilihan inisiator, extender, dan berat molekul poliol sangat mempengaruhi keadaan fisik, dan sifat fisik polimer poliuretan. Karakteristik penting dari poliol adalah tulang punggung molekul mereka, inisiator, berat molekul, kelompok hidroksil primer, fungsionalitas, dan viskositas.Mekanisme reaksi PU dikatalisis oleh amina tersierReaksi meachanismgas karbon dioksida yang terbentuk oleh air bereaksi dan isosianatReaksi air isosianat
Reaksi polimerisasi dikatalisis oleh amina tersier, seperti dimethylcyclohexylamine, dan senyawa organologam, seperti dibutyltin dilaurat atau bismuth oktanoat. Selanjutnya, katalis dapat dipilih berdasarkan pada apakah mereka mendukung uretan (gel) reaksi, seperti 1,4-diazabicyclo [2.2.2] oktana (juga disebut DABCO atau Teda), atau urea (pukulan) reaksi, seperti bis - (2-dimethylaminoethyl) eter, atau secara khusus drive reaksi isosianat trimerization, seperti octoate kalium.
Salah satu atribut paling diinginkan dari poliuretan adalah kemampuan mereka untuk diubah menjadi busa. Agen bertiup seperti air, halocarbons tertentu seperti HFC-245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropane) dan HFC-134a (1,1,1,2-tetrafluoroethane), dan hidrokarbon seperti n-pentana, dapat dimasukkan ke sisi poli atau ditambahkan sebagai arus bantu. Air bereaksi dengan isosianat untuk menciptakan gas karbon dioksida, yang mengisi dan memperluas sel dibuat selama proses pencampuran. Reaksi adalah proses tiga langkah. Sebuah molekul air bereaksi dengan kelompok isosianat untuk membentuk asam carbamic. Asam Carbamic tidak stabil, dan membusuk membentuk karbon dioksida dan amina. Amina bereaksi dengan isosianat lebih untuk memberikan urea tersubstitusi. Air memiliki berat molekul yang sangat rendah, sehingga meskipun persen berat air mungkin kecil, proporsi molar air dapat jumlah yang cukup tinggi dan urea yang dihasilkan. Urea tidak terlalu larut dalam campuran reaksi dan cenderung membentuk terpisah "segmen keras" fase sebagian besar terdiri dari polyurea. Konsentrasi dan organisasi fase ini polyurea dapat memiliki dampak yang signifikan terhadap sifat-sifat busa poliuretan [10]. Halocarbons dan hidrokarbon dipilih sedemikian rupa sehingga memiliki titik didih pada atau dekat suhu kamar. Karena reaksi polimerisasi adalah eksotermik, agen ini meniup menguap menjadi gas selama proses reaksi. Mereka mengisi dan memperluas matriks polimer seluler, menciptakan busa. Hal ini penting untuk mengetahui bahwa meniup gas tidak menciptakan sel-sel busa. Sebaliknya, sel-sel busa adalah hasil dari meniupkan gas menyebar ke gelembung yang bernukleus atau diaduk ke dalam sistem pada saat pencampuran. Bahkan, high-density busa mikroselular dapat dibentuk tanpa penambahan agen bertiup dengan mekanis berbusa atau nukleasi komponen poliol sebelum digunakan.
Surfaktan digunakan untuk memodifikasi karakteristik polimer selama proses berbusa. Mereka digunakan untuk mengemulsi komponen cair, mengatur ukuran sel, dan menstabilkan struktur sel untuk mencegah cacat runtuh dan permukaan. Surfaktan busa kaku dirancang untuk menghasilkan sel-sel yang sangat halus dan kandungan sel yang sangat tinggi tertutup. Surfaktan busa*yang fleksibel dirancang untuk menstabilkan massa reaksi sementara pada saat yang sama memaksimalkan isi sel terbuka untuk mencegah busa dari menyusut. Kebutuhan surfaktan dapat dipengaruhi oleh pilihan isosianat, poliol, kompatibilitas komponen, reaktivitas sistem, kondisi proses dan peralatan, perkakas, bentuk bagian, dan berat ditembak.
Meskipun sifat poliuretan yang ditentukan terutama oleh pilihan poliol, diisosianat yang diberikannya pengaruh, dan harus cocok untuk aplikasi. Tingkat penyembuhan dipengaruhi oleh reaktivitas gugus fungsional dan jumlah kelompok isosianat fungsional. Sifat mekanik dipengaruhi oleh fungsi dan bentuk molekul. Pemilihan diisosianat juga mempengaruhi stabilitas dari poliuretan setelah terpapar cahaya. Poliuretan dibuat dengan diisocyanates aromatik kuning dengan paparan cahaya, sedangkan yang dibuat dengan diisocyanates alifatik stabil.
Poliuretan lembut, elastis, dan lebih fleksibel terjadi ketika segmen linier polietilen glikol difunctional, polieter poliol biasa disebut, digunakan untuk membuat link uretan. Strategi ini digunakan untuk membuat serat spandex dan bagian elastomer karet yang lembut, serta karet busa. Lebih kaku produk hasilnya jika poliol polifungsional digunakan, karena ini membuat tiga-dimensi cross-linked struktur yang, sekali lagi, bisa dalam bentuk busa rendah kepadatan.
Sebuah busa bahkan lebih kaku dapat dibuat dengan menggunakan katalis trimerization khusus yang menciptakan struktur siklik dalam matriks busa, memberikan struktur, lebih keras lebih termal stabil, ditunjuk sebagai polyisocyanurate busa. Sifat seperti yang diinginkan dalam produk busa kaku digunakan di sektor konstruksi.
Hati-hati kontrol sifat viskoelastik - dengan memodifikasi katalis dan poliol digunakan-dapat menyebabkan busa memori, yang jauh lebih lembut pada suhu kulit dari pada suhu kamar.
Ada kemudian dua varian busa utama: satu di mana sebagian besar gelembung busa (sel) tetap tertutup, dan gas (es) tetap terperangkap, sistem yang lain yang memiliki sebagian besar sel terbuka, yang dihasilkan setelah tahap kritis dalam busa- proses pembuatan (jika sel tidak membentuk, atau menjadi terbuka terlalu cepat, busa tidak akan dibuat). Ini adalah proses sangat penting: jika busa fleksibel telah ditutup sel, kelembutan mereka sangat terganggu, mereka menjadi pneumatik dalam merasa, daripada lembut; begitu, secara umum, busa fleksibel diperlukan untuk terbuka bersel.
Sebaliknya adalah kasus yang paling kaku dengan busa. Di sini, retensi gas sel yang diinginkan karena ini gas (terutama fluorocarbons disebut di atas) memberikan busa kunci mereka karakteristik: tinggi kinerja insulasi termal.
Sebuah varian busa ketiga, yang disebut busa mikroselular, menghasilkan bahan elastomer tangguh biasanya berpengalaman dalam penutup roda kemudi mobil dan komponen otomotif interior lainnya.