تولید پلی یورتان از گلیسرول خام

دسته: مقالات منتشر شده در 02 آبان 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 396

استفاده از فوم های پلی یورتان بعنوان عایق حرارتی تولید شده از روغن کرچک و بیوپلیول های گلیسرول خام

در این مقاله، فوم های پلی یورتان سخت با استفاده از یک پلیول تجدید پذیر در مخلوط روغن کرچک و گلیسرول خام سنتز شدند. اثر محتوای کاتالیزور (DBTDL) و عوامل دمنده در خواص فوم ها نیز ارزیابی و بررسی شد. استفاده از عوامل دمنده فیزیکی (سیکلوپنتان و ان-پنتان) اجازه می دهد تا فوم هایی با سلول های کوچکتر در مقایسه با فوم های تولید شده با یک عامل دمنده شیمیایی (آب) به دست آید. افزایش محتوای آب باعث کاهش چگالی، مقاومت فشاری و مدول یانگ شد که نشان می دهد افزایش تولید CO₂ به تشکیل سلول های بزرگتر کمک می کند. مقادیر بالاتر کاتالیزور در فرمولاسیون فوم نیز منجر به کاهش نسبی چگالی، افزایش اندک هدایت حرارتی، مقاومت فشاری و مقادیر مدول یانگ شد. این فوم های سبز به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند من جمله چگالی (41-23 کیلوگرم بر مترمکعب)، هدایت حرارتی (0.0128-0.0207 w.m¯¹k¯¹)، مقاومت فشاری (188-45 کیلوپاسکال)، و مدول یانگ (28-3 کیلوپاسکال)، از پتانسیل بالایی برای استفاده بعنوان عایق حرارتی برخوردار هستند. این بیوفیلم ها همچنین پلیمرهای زیست سازگاری هستند که می توانند درآمد صنعت بیودیزل را افزایش داده و به کاهش قیمت سوخت نیز کمک می کند.

 

فوم های سخت پلی یورتان معمولا بعنوان عایق حرارتی در صنایع ساختمان، خودروسازی و هوافضا استفاده می شوند. انتظار می رود بازار جهانی فوم های پلی یورتان سخت تا سال 2020 در تولید مصالح ساختمانی من جمله سقف های مسکونی و تجاری، دیوارپوش ها، پنل ها، درب ها و حتی لوازم خانگی به 20.40 میلیارد دلار برسد. هدایت حرارتی مهم ترین خواص این فوم ها است که بایستی در ساخت عایق های حرارتی مد نظر قرار داد. مقادیر رسانایی حرارتی معمول برای فوم های پلی یورتان بین 0.03-0.02 w.m¯¹k¯¹ است و کارایی بسیار بالای این مواد در قالب عایق حرارتی به دلیل هدایت حرارتی بسیار پایین گاز عامل دمنده است که در ساختارهای متخلخل بسته مانده است. افزودنی ها بعنوان عامل دمنده، کاتالیزورها و سورفکتانت ها در تنظیم خواص نهایی سنتز فوم از واکنش اصلی ایزوسیانات با پلیول نقش بسیار مهم دارند. با این حال، بیشتر این مولفه ها از مواد پتروشیمی می شوند که باعث افزایش وابستگی به نفت و در نتیجه، مشکلات زیست محیطی می شود. این جنبه ها تولید فوم های سخت از مواد تجدید پذیر را بهبود داده است. در سال های اخیر، استفاده از بیوپلیول ها برای تولید فوم های پلی یورتان سخت زیست سازگار مانند لیگنین، بیوپتچ، گلیسرول و روغن های گیاهی من جمله کرچک، پالم، نشاسته سویا و غیره مورد بررسی قرار گرفته است. روغن کرچک (CO) مخلوطی از تری گلیسیریدها، عمدتا اسید ریسینولئیک است که از دانه گیاه Ricinus communis تهیه می شود. این ماده خام تجدد پذیر کم هزینه معمولا بعنوان پلیول برای تولید مواد انعطاف پذیر همچون فوم های پلی یورتان و الاستومرها استفاده می شود. با این حال، بیشتر این مواد پس از اصلاح شیمیایی روغن کرچک مانند ترانس استریفیکاسیون، اکسی پروپیلاسیون، هیدروفرمولاسیون و ازنولیز تولید می شوند تا گروه های هیدروکسیل فعال را معرفی کرده که شامل پیش تصفیه روغن با مراحل متعدد و هزینه های بالا است.

 

روغن کرچک دارای وزن مولکولی بالا، عدد هیدروکسیل کم، واکنش پذیری ضعیف، زمان پخت کند، تاخیر در اشتعال پذیری و امتزاج پذیری کم با سایر ترکیبات است. این خواص استفاده از روغن کرچک را بعنوان پلیول ماده خام، به ویژه در تهیه فوم های پلی یورتان سخت محدود کرده استو به نظر می رسد واکنش پیش تصفیه برای کاهش این معایب مناسب تر باشد. واکنش های ترانس استریفیکاسیون، تیو-ان و آمیداسیون برای معرفی گروه های OH واکنش پذیر در روغن کرچک به منظور تولید پلیول های مناسب با هدف سنتز فوم های پلی یورتان سخت به کار گرفته شده اند. اخیرا در گزارشی تولید پلیول از پلیمریزاسیون گلیسرول و سپس متراکم شدن این ماده پلیمریزه شده با روغن کرچک بیان شده است. پس از این، فوم های سخت پلی یورتان از طریق جایگزینی نسبی یک پلیول پتروشیمی با این پلیول تولید شده سنتز شدند. این واکنش ها معمولا در حضور یک الکل انجام می شود و استفاده از گلیسرول نیز به طور گسترده مطالعه و بررسی شده است. این فوم ها از خواص مکانیکی خوبی همچون چگالی 50-35 کیلوگرم بر مترمکعب، مقاومت فشاری 475-127 کیلوپاسکال، پایداری حرارتی عالی، شاخص اکسیژن محدود 30-20 درصد و هدایت حرارتی 0.021-0.029 w.m¯¹k¯¹ برخوردار هستند. با این حال، واکنش ها برای اصلاح روغن و افزایش واکنش پذیری آن بین 160 تا 240 درجه سانتیگراد به مدت 6-2 ساعت، شامل مراحل متعدد و برخی واکنش دهنده ها انجام می شود که هزینه تولید فوم را افزایش می دهد. در اینجا، فوم های پلی یورتان با استفاده از مخلوط ساده گلیسرول خام و روغن کرچک خالص تهیه شدند. مخلوط های باینری با محتویات مختلف روغن کرچک و گلیسرول خام به منظور افزایش عملکرد این بیوپلیول بدون هزینه های اضافی در تغییرات شیمیایی تهیه شد. این مخلوط ها به این دلیل به دست آمدند که گلیسرول خام دارای سه گروه هیدروکسیل و یک زنجیره کوتاه است و از طرفی، قابلیت اختلاط پذیری خوب در روغن کرچک است. پلیول از اختلاط فیزیکی مواد خام بدون هیچ نوع پیش تصفیه و برای استفاده مستقیم در سنتز پلی یورتان تولید شد. این رویکرد ساده و نوآورانه امکان تولید فوم های پلی یورتان سخت و تجدید پذیر با خواص عالی را برای مصارف عایق حرارتی فراهم می کند. علاوه براین، اثرات کاتالیزور و عامل دمنده بر خواص مکانیکی و هدایت حرارتی فوم ها در این مقاله بررسی و مطالعه شد. این فرایند ارزیان، ساده و پایدار بوده و حتی برای تولید مواد زیست سازگار با کاربردهای تجاری نیز مناسب است.

 

در این مقاله فوم های پلی یورتان سخت تهیه شده از پلیول از طریق مخلوط مخلوط فیزیکی روغن کرچک و گلیسرول خام بعنوان محصول مشترک از صنعت بیودیزل سنتز شدند. روش تهیه پلیول ساده است و نیازی به هیچ گونه پیش تصفیه مواد اولیه ندارد. بهترین فرمولاسیون با 10 درصد گلیسرول خام و 90 درصد روغن کرچک (نسبت 1:1 وزن/ وزن) و آب بعنوان عامل دمنده به دست آمد. افزودن 10 درصد گلیسرول، محتوای OH بیوپلیول را به همان اندازه افزایش داد؛ به طوری که به نظر می رسید روغن کرچک از قبل تصفیه شده بود تا یک گروه هیدروکسیل در هر ترکیب (C=C) ریسینولئیک اسید وارد شود. تاثیر عامل دمنده بر سنتز فوم هم بررسی شد و نتایج به دست آمده نشان داد که افزایش مقدار آب منجر به کاهش چگالی، هدایت حرارتی، مقاومت فشاری و مدول یانگ می شود. در کل، این رفتارها به دلیل افزایش اندازه سلول است. ارزیابی تاثیر مقدار کاتالیزور (DBTDL) نشان داد که افزایش محتوای کاتالیزور باعث کاهش چگالی و افزایش هدایت حرارتی می شود. با این حال، تاثیر اندکی بر مقاومت فشاری و مدول یانگ داشت. این فوم های ابداعی دارای خواصی هستند که نشان دهنده پتانسیل بالای آنها برای استفاده بعنوان عایق حرارتی هستند. این مواد ارزان و زیست سازگار هستند و می توانند به کاهش قیمت بیودیزل در رویکرد تصفیه زیستی کمک کنند. این بیوپلیمرها را می توان با یک فرایند ساده سنتز کرد که به راحتی در مقیاس بزرگ قابل استفاده است.