مقدمه ای بر پلی یورتان ها
اگرچه واکنش بین ترکیبات ایزوسیانات و هیدروکسیل ابتدا در قرن نوزدهم کشف شد، پایه های صنعت پلی یورتان در اواخر دهه 1930 با کشف شیمی واکنش پلی ادیشن توسط اوتو بایر بین دی ایزوسیانات و دیول ها برای تشکیل پلی یورتان ابداع شد. اولین کاربردهای تجاری پلیمرهای پلی یورتان برای الاستومرها، پوشش ها و چسب ها بین سال های 1945-1947 توسعه یافت؛ به دنبال آن فوم های انعطاف پذیر در سال 1953 و فوم های سفت و سخت در سال 1957 انجام شد. امروزه پلی یورتان ها کاربرد گسترده ای در زندگی روزمره ما داشته و نقش حیاتی در بسیاری از صنایع؛ از مبلمان گرفته تا کفش و ساخت اتومبیل ایفا می کنند. علاوه بر تشک های راحت و بادوام، از فوم های انعطاف پذیر در ساخت صندلی خودرو نیز استفاده می شود. فوم پلی یورتان سفت و سخت یکی از مؤثرترین مواد عایق حرارتی کاربردی است که کاربردهای مختلفی از یخچال های خانگی گرفته تا ساخت و سازهای صنعتی دارد. همچنین از چسب های پلی یورتان در ساخت انواع محصولات چوبی کامپوزیت من جمله پنل های روکش تزئینی استفاده می شود. اقلامی مانند کفی کفش، تجهیزات ورزشی و سپر خودرو از اشکال مختلف الاستومرهای پلی یورتان تولید می شوند. بسیاری از ما با منسوجات حاوی الیاف پلی یورتان یا غشاهای پلی یورتان قابل تنفس با کارایی بالا سروکار داریم. علاوه براین، در بسیاری از کاربردهای پزشکی از پلی یورتان زیست سازگار برای ساخت پروتز مفاصل و پوشش های ایمپلنت استفاده می شود؛ پوشش های پلی یورتان از سطوح در برابر آسیب/ سایش محافظت کرده و از چسب ها نیز در ساخت وسایلی به کوچکی یک برد مدار الکتریکی و به بزرگی یک هواپیما استفاده می شوند. کامپوزیت های تقویت شده با الیاف کربن و شیشه فشرده در صنایع خودروسازی و هوا فضا در حال ارزیابی هستند. از لحاظ تجاری، پلی یورتان از واکنش گرمازا مولکول های حاوی دو یا چند گروه ایزوسیانات با مولکول های پلیول حاوی دو یا چند گروه هیدروکسیل تولید می شود. علاوه بر این، چندین واکنش شیمیایی دیگر از ایزوسیانات ها برای اصلاح یا گسترش دامنه مواد پلیمری با پایه ایزوسیانات استفاده می شود. واکنش پلیمری کارآمد شیمیایی ممکن است کاتالیز شده، زمان چرخه را تسریع کرده و حجم تولید را نیز افزایش دهد.
اگرچه پلی یورتان ها به دلیل داشتن مزیت منحصر به فرد کاربرد گسترده ای دارند، اما با دیگر مواد پلاستیکی متفاوت هستند زیرا پردازنده قادر است ماهیت و خواص محصول نهایی را تغییر داده و کنترل کند. این امر در طی فرایند تولید امکان پذیر است چرا که بسیاری از پلی یورتان ها با استفاده از ابزار پردازش واکنشی ساخته می شوند که مواد شیمیایی پلی یورتان را با هم مخلوط کرده و سپس به تولید پلیمر مورد نیاز واکنش نشان می دهند. تغییرات در ماهیت شیمیایی دقیق پلیول ها، ایزوسیانات ها و مواد افزودنی به کاربر اجازه می دهد تا پلیمرهای انتهایی مختلفی تولید کند. تغییرات جزئی در اختلاط و نسبت ها امکان تنظیم دقیق پلیمرهای تولید شده را فراهم می کند؛ پلیمر معمولآ در طی این واکنش پلیمریزاسیون به ماده نهایی تبدیل می شود و همین امر نیز باعث تطبیق پذیری پلی یورتان ها می شود. یکی دیگر از خواص مهم مخلوط های واکنش پلی یورتان این است که نوعی چسب قوی هستند. این امر امکان ساخت سادۀ کامپوزیت های قوی مانند پنل های ساختمانی و لمینت ها، محفظه یخچال و فریزی، پنل های یکپارچه برای ساخت وسایل نقلیه و همچنین سازه های تقویت شده در قایق ها و هواپیماها را فراهم می کند. این عملکرد تا حدودی دوگانه است که این ماده را در صنایع تولیدی ارزشمند می سازد زیرا میتوان تعدادی از مراحل مونتاژ پیچیده و پر هزینه را هنگام استفاده از پلی یورتان ها بجای پلیمرهای جایگزین حذف کرد. این روند ترکیبی از عملکرد بالای مواد همراه با تطبیق پذیری پردازش است که منجر به رشد چشمگیر و کاربرد گستردۀ خانواده پلی یورتان شده است. مزایای پردازش پلی یورتان ها را قادر می سازد تا با پلیمرهای ارزان تر رقابت کنند. از آنجا که قالب گیری واکنش پلی یورتان فقط به فشارهای نسبتآ پایینی نیاز دارد، قالب ها را میتوان از مواد ارزان تری مانند آلومینیوم یا پلی استر تقویت شده با شیشه بجای فولاد ساخت.این امربرای تولید کم از اهمیت ویژه ای برخوردار است اما همچنین امکان تولید ساده و سریع نمونه های اولیه ارزان قیمت برای توسعه محصولات و فرایندهای جدید یا اصلاح نمونه های قبلی را فراهم می کند. پلی یورتان ها را میتوان در گریدهای مختلف، با چگالی از 6-1220 کیلوگرم/ متر مکعب و سفتی پلیمری از الاستومرهای انعطاف پذیر تا پلاستیک های سفت و سخت تولید کرد.
پایه صنعتی پلی یورتان ها که در نیم قرن گذشته تکامل یافته است، توسط دو عامل کلیدی هدایت می شود؛ اول، اقتصاد مقیاسی مرتبط با تولید مواد خام است. فرایند ساخت ایزوسیانات ها که از مواد شیمیایی مانند بنزن یا تولوئن شروع می شود، پیچیده و گران است. همانند تمام فرایندهای شیمیایی، مسائل امنیتی و زیست محیطی بسیاری وجود دارد که باید در نظر گرفته شوند و داشتن کمترین هزینۀ ممکن برای تولید این مواد شیمیایی با حجم بالا ضروری است. درنتیجه، تولید در دست چند شرکت بزرگ شیمیایی جهانی است. شرایط پلیول پیچیده تر است زیرا تولید پروپیلن اکساید (PO)، اتیلن اکساید (EO) و پلی استرها گسترش بیشتری دارد؛ تا حدی به دلیل تنوع گسترده تر فرایندهای موجود و مناسب بودن دارای کاربرد اقتصادی در مقیاس نسبتآ کوچکتر هستند. علاوه براین، پلیمرهای PE و EO را میتوان در بازار آزاد خریداری کرده و سپس برای تولید پلیول استفاده کرد؛ در حالی که ایزوسیانات ها توسط شرکت های بزرگ تولید و عرضه می شوند. دومین عامل، تنوع بازار و مسیرهای حمایت از آن بازار است. اگرچه تمام تولید کنندگان عمده ایزوسیانات در زمینه PO و EO نیز پایه بوده و پلیول ها را تولید کرده و عرضه می کنند؛ انتخاب های استراتژیکی در مورد نحوه تحویل "پکیج" شیمیایی به مشتری وجود دارد. این انتخاب اساسآ توسط اقتصاد و تدارکات زنجیره تأمین کنترل می شود. علاوه براین، مشتری همیشه کاربر نهایی نیست. یک مثال گویا از این صنعت خودروسازی است که در آن تعدادی از تولید کنندگان "تایر" وجود دارد که همگی همزمان با پیشروی به سمت طراحان نهایی، پیشنهادات محصول را پیچیده تر می کنند؛ شرکت های خودرو که اغلب بعنوان OEMs (سازندگان تجهیزات اصلی) شناخته می شوند، خودروها را با نام و برند خود مونتاژ کرده و به بازار عرضه می کنند. بنابراین، یک تولید کننده مواد شیمیایی میتواند یک سیستم کاملآ فرموله شده، ایزوسیانات و پلیول همراه با پکیج کامل افزودنی را برای قالب گیری صندلی از فوم انعطاف پذیر ارائه می دهد که در ادامه، بالشتک ها را برای تکمیل مونتاژ صندلی در اختیار شرکت دیگری قرار می دهد. تولید کننده مواد شیمیایی فقط ایزوسیانات و پلیول پایه به برخی از مشتریان ارائه می دهند و مشتری نیز با استفاده از تخصیص داخلی خود، یک سیستم را فرموله کرده و سپس محصول نهایی را تولید می کند. یک رویکرد جایگزین برای این روند استفاده از "سیستم هاوس" است؛ چه مستقل و چه هم تراز، که مواد شیمیایی پایه را از منابع متعددی خریداری کرده و سیستم فرموله شده را طراحی و تولید می کند. در نهایت، آن را به تولید کننده پلی یورتان نهایی می فروشد.
