بازیافت پلی یورتان PU

بازیافت پلی یورتان: جایی که هستیم و جایی که می رویم

پلی یورتان‌ها (PU) از خانواده پلیمرهای مصنوعی مفید (ترموپلاستیک یا ترموست) هستند که ازطریق واکنش های چندتراکمی دی ایزوسیانات‌ها و دیول‌ها - پلیول‌ها به دست می آیند. در مفهوم اقتصاد چرخشی و همچنین باتوجه به نیاز فعلی برای محدود کردن اثرات زیست محیطی پلاستیک، چندین روش برای بازیابی پایان عمر پلی یورتان‌ها و بازیافت آنها وجود دارد. درواقع، پردازش ضایعات پلی یورتان می تواند به طور قابل توجهی نه تنها ازنظر اکولوژیکی مفید باشد بلکه ازنظر اقتصادی نیز عملکرد خوبی دارد. درحال حاضر، مواد اولیه (یعنی گلیکولیز) و بازیافت مکانیکی دو تکنیک مهم در بازیابی و بازیافت پلی یورتان هستند؛ با این وجود، کاربرد "بازیافت بیولوژیکی" که از تجزیه بیولوژیک پلیمر بهره می برد روبه افزایش است. این مطالعه با هدف بررسی فرایندهای بازیافت پلی یورتان های ترموپلاستیک و ترموست، دیدگاه‌هایی را درمورد تحولات احتمالی آینده آنها ارائه می دهد.

تطبیق پذیری بدون شک یکی از ویژگی‌های اصلی به نمایش درآمده توسط پلی یورتان‌ها (PU) است؛ پلی یورتان "خانواده" مهمی از پلیمرهای ترموپلاستیک و ترموست با تعداد قابل توجهی از گروه‌های یورتان (-HN-COO-) است که از ایزوسیانات‌ها و ترکیبات حاوی هیدروکسیل ازطریق واکنش‌های ارائه شده در بخش الف از شکل زیر مشتق شده اند.

شکل 1:

این واکنش گرمازا است و حتی در دمای محیط خود به خود رخ می‌دهد. با این حال، معمولا از یک یا چند کاتالیزور برای تسریع واکنش یون استفاده می‌شود. ترکیب حاوی هیدروکسیل می تواند یک دیول، پلیول یا آب باشد که به عنوان یک عامل دمنده شیمیایی در تولید فوم‌های پلی یورتان کاربرد دارد. در واقع، باتوجه به بخش دوم از شکل بالا، ایزوسیانات با آب واکنش نشان می دهد و یک اسید کاربامیک جایگزین ناپایدار تشکیل می دهد که همراه با کربن به یک گونه آمین همراه با دی اکسید تجزیه شده و منجر به دمیدن پلیمر پلی یورتان می‌شود. همان طور که بخش سوم از شکل بالا نشان داده شده است، آمین های اولیه به دست آمده ممکن است دوباره با گروه‌های ایزوسیانات که یک اوره جایگزین هستند واکنش نشان دهند. در دمای محیط، این واکنش سریعتر از شکل گیری یورتان است. اتم های هیدروژن فعال ترکیبات اوره جایگزین یا آلوفانات‌ها (از واکنش ایزوسیانات‌ها با یورتان تشکیل شده اند؛ بخش سوم از شکل بالا) ممکن است دوباره با ایزوسیانات‌ها واکنش نشان دهند (بخش آخر از شکل بالا). ایزوسیانات‌ها بسیار واکنش پذیر هستند، بنابراین می توانند خودشان نیز واکنش نشان دهند که منجر به واکنش های پلیمریزاسیون می شود؛ دیمریزاسیون یورتودین دیون‌های متقارن یا نامتقارن تولید می کند؛ تایمریزاسیون نیز منجر به تشکیل حلقه‌های ایزوسیانورات می شود که عامل پایداری حرارتی بالای فوم های پلی ایزوسیانورات هستند. ایزوسیانات ها می توانند آلیفاتیک یا معطر و دو عملکردی باشند؛ با این حال، بیش از 3 عملکرد دارند. در کاربردهای خاص مانند فوم‌های انعطاف پذیر، الاستومرها و پلی یورتان های ترموپلاستیک، ایزوسیانات پیش پلیمری معمولا از یک محصول واکنش عملکردی NCO- حاصل از ایزوسیانات و پلیول‌های آروماتیک یا آلیفاتیک ایزوسیانات استفاده می شود.

به طور مشابه، پلیول‌های مختلفی وجود دارد اما بیشتر پلیول های مورد استفاده به دو دسته اصلی تقسیم می شوند: پلیول های هیدروکسیل یا آمینو. ساختار پلیول مستقیم پردازش و ویژگی های نهایی پلیمر پلی یورتان را شامل می شود. درواقع اکثر پیوندهای موجود در پلی یورتان‌ها از پیوندهای موجود در پلیول مشتق شده اند. پلیول ها ازنظر وزن مولکولی (تا 6500 دا)، عدد هیدروکسیل (تا 1000 میلیگرم KOH در هر گرم) و عملکرد (تا 8) متفاوت هستند. پلیول‌های با وزن مولکولی بالاتر و عدد هیدروکسیل و عملکرد کمتر برای الاستومرها، عایق‌ها و فوم‌های انعطاف پذیر استفاده می شوند درحالی که دیگر پلیول ها در الاستوپلاستیک ها، عایق های سخت و فوم های سخت کاربرد دارند. دسترسی گسترده به این واکنش‌دهنده‌ها به امکان تنظیم خواص نهایی پلی یورتان‌های به دست آمده، تولید پلیمرهای ترموپلاستیک تا ترموست یا تولید پلی یورتان های انعطاف پذیر تا نیمه سخت (بسته به نسبت بین بخش های نرم و بخش سخت) که کاربردهای مختلفی ازجمله مبلمان (به عنوان فوم های انعطاف پذیر)، فوم های سخت عایق دیوار و سقف، کفش ترموپلاستیک و تجهیزات پزشکی، یخچال‌های تجاری، چسب و درزگیرها و پوشش ها دارند کمک می کند. یک طرح طبقه بندی کلی پلی یورتان و برخی از کاربردهای صنعتی اصلی آنها فعلی آنها در شکل و جدول زیر ارائه شده اند.

شکل 2:

جدول 1:

علاوه براین، تولید پلی یورتان در کشورهای اتحادیه اروپا حدود 7.8 درصد از کل تولید را تشکیل می دهد به طوری که آنها را در جایگاه ششم تقاضای پلاستیک قرار می‌دهد. مزیت استفاده از پلی یورتان‌ها به منظور جایگزینی پلاستیک‌های مصنوعی (مانند پلی استایرن، پلی وینیل کلرید و لاستیک‌های مصنوعی) یا پلیمرهای طبیعی (مانند چرم) غیرقابل انکار است و همچنین با درنظر گرفتن امکان استفاده از پلیول های زیستی که اثرات زیست محیطی پلی یورتان را کاهش می‌دهد، این سیستم های پلیمری را سبزتر از سیستم های فسیلی می کند. بنابراین، می توان از عایق‌های پلی یورتان آبی به جای حلال‌های آلی سمی استفاده کرد.

جمع بندی

بدون شک امکان طراحی و کاربرد موثر اجرای تکنیک‌های بازیافت عملی و قابل اعتماد برای چنین پلیمرهای فسیلی همچون پلی یورتان به میزان قابل توجهی نگرانی‌ها از پایان چرخه عمر و دشواری بازیافت را کاهش می دهد درحالی که تصویر کلی آنها را به عنوان مواد قابل بازیافت با ارزش افزوده ذاتی مهم بهبود می بخشد. با این حال، تکنیک‌های بازیافت پلی یورتان که تاکنون طراحی شده و مورد بهره برداری قرار گرفته اند یا برای ضایعات درحال توسعه هستند یا با چالش‌های زیادی روبرو هستند. با درنظر گرفتن طیف وسیعی از ساختارهای شیمیایی، پارامترهایی همچون وزن مولکولی، درجه بلورینگی، چگالی اتصال عرضی، و نسبت بخش سخت به نرم به طور قابل توجهی فرایندهای بازیافت و خواص مواد و محصولات بازیافتی نهایی را تحت تاثیر قرار می‌دهند. بنابراین، امکان شناسایی روش بازیافت ایده آل، منحصر به فرد، قابل اجرا، قابل اعتماد و حتی مقیاس پذیر برای پلی یورتان بایستی فراهم شود اما لازم است که رویکردهای بازیافت خاصی نیز طراحی شود که هدف از بازدهی، خلوص و قابلیت بهره برداری از محصولات بازیافتی به حداقل رساندن اثرات زیست محیطی و مصرف کلی انرژی باشد. همانطور که در اینجا بیان شده است، چندین روش بازیافت کاربردی طراحی و با موفقیت انجام شده است که ازبین آنها، بازیافت مکانیکی (ازطریق آسیاب مجدد و قالب گیری فشرده) و بازیافت شیمیایی (عمدتا ازطریق واکنش‌های گلیکولیز) امیدوارکننده ترین روش ها در بهره برداری صنعتی به شمار می روند. انتظار می‌رود این دو روش بازیافت در آینده به بهره برداری برسند زیرا آنها در حال حاضر از سابقه تثبیت شده ای برخوردار هستند؛ حتی در مقیاس صنعتی. بالعکس، تقریبا سایر روش های بازیافت هنوز در مراحل آزمایشگاهی باقی مانده‌اند. علیرغم نتایج قابل توجهی که تاکنون به دست آمده است، پیش بینی توسعه این روش‌ها در مقیاس بزرگتر دشوار است. دو روش آسیاب مجدد و گلیکولیز هم مقرون به صرفه هستند و هم اثرات محیطی کمتری به همراه دارند؛ بازیافت انرژی ازطریق پیرولیز، گازی شدن و احتراق دو مرحله ای، باوجود کاهش قابل توجه حجم زباله هایی که در محل دفن زباله انباشته شده و ارزش بالای انرژی بازیافتی، همچنان در کنترل انتشار محصولات سمی و خطرناک محدود هستند. علاوه براین، اگرچه تجزیه زیستی را بتوان با شرایط ملایم (به عنوان مثال در دمای محیط و بدون نیاز به مواد شیمیایی خطرناک) انجام داد، تعداد میکروارگانیسم‌ها و آنزیم‌های مناسب را محدود می کند. درواقع، جداسازی میکروارگانیسم‌های جدیدی که قادر به تجزیه پلی یورتان هستند، معمولا فشرده و زمان بر است. موضوع دیگری که بدون شک ممکن است باعث کند شدن روند پیشرفت بازیافت پلی یورتان شود، اشکال متنوع پلی یورتان (یعنی فوم ها، مواد حجیم و الاستومرها) و ساختارهای تولید شده است که شناخت مناسب ترین تکنیک بازیافت را دشوار می کند. برهمین اساس، مجموعه انتخابی از ضایعات پلی یورتان می تواند کمک زیادی به ما بکند.