فوم پلی یورتان با پایه پلیول روغنی

دسته: مقالات منتشر شده در 06 مهر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 100

مروری بر دورنمای پیشرفت های اخیر فوم پلی یورتان با پایه پلیول تهیه شده از روغن گیاهی در آینده

فوم های پلی یورتان (PU) کاربرد گسترده ای در تولید عایق های حرارتی و صوتی، تشک، مبلمان، صنعت ساختمان، خودروسازی، حمل و نقل کالا و غیره دارند. برهمین اساس، مواد پر مصرفی نیز هستند. اخیرا محصولات تجاری فوم پلی یورتان (PUF) تهیه شده از روغن های گیاهی پلیول، در مقایسه با PUF های تهیه شده از مواد نفتی، به دلیل قیمت پایین و زیست سازگار بودن از محبوبیت بالایی در جامعه صنعتی برخوردار هستند. تا به امروز، بررسی های کافی در زمینه اصلاح روغن های گیاهی برای سنتز پلیول در فرایند سنتز فوم انجام نشده است. روغن های گیاهی به دلیل دسترسی فراوان، کم هزینه بودن، ماهیت تجدید پذیر بعنوان پیش ساز در صنعت پلی یورتان مدرن مورد استفاده قرار می گیرند. برای تبدیل روغن های گیاهی مانند روغن کرچک و روغن سویا به پلیول های مفید در مصارف صنعتی به روش های اقتصادی و پیشرفته ای نیاز است. این مقاله به بررسی جدیدترین روش های پیشرفته در تبدیل روغن های گیاهی به پلیول و استفاده بیشتر از آن برای محصولات تجاری PUF می پردازد. از دهه گذشته، تحقیقات زیادی نشان داد که PUF تهیه شده از روغن گیاهی می تواند با فوم های پلی یورتان معمولی رقابت کند.

 

منابع تجدید پذیر مانند سوخت های فسیلی، زغال سنگ و غیره برای آماده سازی اکثر ترکیبات آلی در جامعه شیمیایی مدرن آماده می شوند. به منظور تهیه مواد شیمیایی از این منابع، مقدار زیادی دی اکسید کربن در طی پردازش در محیط باز آزاد می شود که مسئله گرمایش جهانی را هدایت می کند. از سوی دیگر، دسترسی محدود و غیر قابل تجدید بودن مواد اولیه فسیلی منجر به افزایش قیمت مواد شیمیایی تهیه شده از نفت می شود. بر همین اساس، محققان این نگرانی را به سمت توسعه مواد خام تجدید پذیر تهیه شده از منابع زیستی سوق داده اند. پلی یورتان ها (PUs) با تولید سالانه 18 میلیون تن در سراسر جهان در سال 2016، یکی از امیدوارکننده ترین پلیمرها در خانواده پلیمرها هستند و انتظار می رود تا سال 2020، همان طور که در شکل زیر نشان داده شده است، تا 37.5 میلیون دلار افزایش یافته و به بازار جهانی پلی یورتان برسد.

 

شکل 1:

 Global polyurethane foam market X-axis production in tons Y-axis-year

 

پلی یورتان ها که کاربرد وسیعی در سنتز فوم ها، عایق ها، چسب ها، فیلم ها و الاستومرها دارند، از بین آنها فوم های پلی یورتان (PUF) در حال حاضر بیش از 50 درصد بازار را به خود اختصاص داده است. این فوم ها در تولید عایق های حرارتی در خودرو سازی، عایق های صوتی در صنعت ساختمان، تولید کفش، مبلمان و صنعت بسته بندی حالا برای حمل و نقل استفاده می شوند. امروزه، 95 درصد PUF ها از پلیول ها با پایه نفت (پلی پروپیلن گلیکول و پلی اتیلن گلیکول) و ایزوسیانات ها (دی فنیل متان دی ایزوسیانات، تولوئن دی ایزوسیانات) برای سنتز PU استفاده می کنند. باقیمانده نفت (استارتر) منبع اصلی در سنتز پلیول محسوب می شود. پلیول های پلی استر تهیه شده از نفت از یک واکنش شیمیایی بین استارتر و اکسید قلیایی به دست می آیند. در حالی که پلیول پلی اتر حاصل واکنش بین دی کربوکسیلیک اسید و الکل دو عاملی است. از سوی دیگر، همان طور که در شکل زیر بیان شده است، روغن های گیاهی مواد شیمیایی طبیعی هستند که از مولکول های گلیسرول در ستون فقرات خود به همراه سه زنجیره اسیدهای چرب اشباع یا غیر اشباع تشکیل شده اند که 90 تا 95 درصد اسیدهای چرب را در خود نگه می دارند.

 

شکل 2:

 Fabrication of polyurethane foam from a petroleum-based resources and b plant oil-based precursors

 

روغن های سویا، کرچک، پالم، کانولا، آفتابگردان و کلزا روغن های گیاهی فراوانی هستند که محتوای اسیدهای چرب غیر اشباع بالاتری دارند؛ بنابراین می توان آنها را از روش های مختلف به راحتی عامل دار هیدروکسیل کرد. از بین این روغن ها، روغن کرچک دارای عملکرد طبیعی هیدروکسیل است. بر همین اساس، می توان از آن به طور مستقیم و بدون تغییر برای ساخت فوم استفاده کرد. بازار جهانی پلیول با پایه روغن های طبیعی به طور مداوم در حال افزایش است که نشان دهندۀ تغییر صنایع فعلی به سمت منابع زیست تخریب پذیر به منظور کاهش مصرف بالای مواد نفتی نیز است. در شکل زیر تقاضای فزاینده فعلی مواد مشتق شده از روغن های گیاهی در صنعت پلی یورتان مدرن بیان شده است.

 

شکل 3:

Increasing worldwide polyol market x- uses in tons y-years 

 

فوم های پلی یورتان یک شبکه سه بعدی بسیار سودمند هستند که پیوندهای اوره و یورتان را در زنجیره اصلی شان دارند. به همین دلیل در تولید مبلمان خانگی، عایق حرارتی و حتی صنعت بسته بندی کاربرد دارند. در حال حاضر، فوم های پلی یورتان معمولی با استفاده از ایزوسیانات ها و پلیول نفتی تهیه می شوند. دو نقص عمده برای این فوم های تهیه شده از فرآورده های نفتی مطرح است؛ یکی اشتعال پذیری آنها به دلیل وجود مشتقات نفتی و دوم، افزایش روز افزون قیمت نفت که باعث گرایش به سمت منابع تجدید پذیر طبیعی شده است. ضایعات صنعت کشاورزی و جنگلداری مانند روغن های گیاهی، لیگنین، پوست پرتقال، ساقه ذرت، نشاسته، باگاس نیشکر، سلولز، سوربیتول، دارپوست، پوست کاه گندم، چوب کاج و باقیمانده پودر قهوه منابع غنی ایی برای تهیه پلیول به منظور سنتز فوم های پلی یورتان با عملکرد بالا محسوب می شوند.

 

روش های پیشرفته اخیر در اصلاح روغن گیاهی

در شکل زیر، متداول ترین روش های اصلاح شیمیایی روغن های گیاهی ارائه شده است.

 

شکل 4:

 Modification routes for plant oils

 

می توان از روغن های گیاهی به دلیل دارا بودن گروه استری و پیوند دوگانه در زنجیره ستون فقرات، برای روش های اصلاح مختلف مانند اکسیداسیون، اوزنولیز ترانس استریفیکاسیون، اپوکسیداسیون و حلقه باز اپوکسید برای عملکرد هیدروکسیل استفاده کرد. در جدول زیر، اسیدهای چرب مختلف در روغن های گیاهی و ساختار شیمیایی آنها را به ترتیب نشان داده شده است.

 

جدول 1:

 Composition of various plant oils

 

نتیجه گیری

در اینجا ما رشد فعلی کاربرد، تولید و خواص فوم های پلی یورتان مشتق شده از پلیول های طبیعی با پایه روغن گیاهی را بررسی کرده ایم. این مطالعه ضرورت روغن های گیاهی تجدید پذیر را به دلیل خواص مکانیکی و حرارتی بالا، مقاومت در برابر اشتعال پذیری و کم هزینه بودن در صنعت فوم پلی یورتان مدرن را نشان می دهد. بنابراین، پیشرفت ها در استفاده از مواد خام تهیه شده از منابع تجدید پذیر در صنعت پلیمر مدرن فرصت های قابل ملاحظه ای را برای نوآوری در تولید فوم های پلی یورتان زیست سازگار و با عملکرد بالا باز کرده است. به دلیل وجود پیوندهای دوگانه در زنجیره اصلی روغن های گیاهی، می توان به عملکرد آسان هیدروکسیل با استفاده از تیمارهای شیمیایی مانند اپوکسیداسیون، ازنولیز و ری داکشن اشاره کرد. اپوکسیداسیون و به دنبال آن حلقه باز، رایج ترین روش ها برای اصلاح روغن های گیاهی هستند. از روغن های گیاهی و سایر مواد مبتنی بر منابع تجدید پذیر برای سنتز PUF های سبز مقرون به صرفه و زیست سازگار استفاده می شود. بنابراین، در بسیاری از کشورها آنهایی که فاقد مواد اولیه فسیلی هستند، می توان از پلیول های گیاهی استفاده کرد. بیشترین مزیت این فوم های تهیه شده از منابع تجدید پذیر نسبت به فوم پلی یورتان معمولی با پایه نفتی این است که زیست سازگار و مقرون به صرفه هستند. تولید روغن های گیاهی و نباتی با 185 میلیون تن در سال، به طور مداوم رو به افزایش است. با توصعه مداوم در صنایع پلیمری فعلی، فرایندهای اصلاح چند جانبه جدید در آینده برای سنتز پلیول های عامل هیدروکسیل بالا از زیست توده و سپس، سنتز PUF های مشتق شده زیستی با کارایی بالا کشف خواهند کرد.