ยูรีเทนทำอย่างไร? คู่มือการผลิตฉบับสมบูรณ์

คำตอบโดยตรง: วิธีการผลิตยูรีเทน

ยูรีเทน — เรียกอย่างแม่นยำว่าโพลียูรีเทนเมื่ออยู่ในรูปโพลีเมอร์ — ถูกสร้างขึ้นโดยปฏิกิริยาทางเคมีระหว่าง โพลีออล (แอลกอฮอล์ที่มีกลุ่มไฮดรอกซิลหลายปฏิกิริยา) และ ไอโซไซยาเนต (สารประกอบที่มีหมู่ –NCO ตั้งแต่หนึ่งหมู่ขึ้นไป) . เมื่อส่วนประกอบทั้งสองนี้รวมกัน จะก่อให้เกิดส่วนเชื่อมต่อยูรีเทน (–NH–COO–) ซึ่งเป็นพันธะเคมีที่กำหนดของวัสดุ ปฏิกิริยานี้ไม่จำเป็นต้องใช้น้ำหรือตัวทำละลาย สามารถเร่งปฏิกิริยาโดยเอมีนหรือสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิก และดำเนินไปอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิห้องหรือด้วยความร้อนอ่อน วัสดุที่ได้อาจเป็นโฟมแข็ง โฟมยืดหยุ่น อีลาสโตเมอร์ สารเคลือบ กาว หรือไฟเบอร์ ขึ้นอยู่กับน้ำหนักโมเลกุล การทำงาน และอัตราส่วนของวัสดุตั้งต้นทั้งหมด

เคมีพื้นฐานนี้ได้รับการอธิบายครั้งแรกโดย Otto Bayer และทีมงานของเขาที่ IG Farben ในเยอรมนีในปี 1937 ภายในทศวรรษ 1950 การผลิตเชิงพาณิชย์ได้เริ่มขึ้นในสหรัฐอเมริกาและยุโรป ปัจจุบัน การผลิตโพลียูรีเทนทั่วโลกมีมากกว่า 25 ล้านเมตริกตันต่อปี ทำให้เป็นหนึ่งในตระกูลโพลีเมอร์ที่หลากหลายและผลิตกันอย่างแพร่หลายที่สุดที่มีอยู่

อธิบายปฏิกิริยาเคมีหลัก

ปฏิกิริยาการขึ้นรูปยูรีเทนคือปฏิกิริยาโพลีแอดดิชั่น ต่างจากการควบแน่นพอลิเมอไรเซชัน ตรงที่ไม่มีการปล่อยผลพลอยได้ หมู่ไฮดรอกซิล (–OH) ของโพลิออลโจมตีคาร์บอนอิเล็กโตรฟิลิกของกลุ่มไอโซไซยาเนต (–N=C=O) ทำให้เกิดส่วนต่อประสานยูรีเทน (คาร์บาเมต) ปฏิกิริยาอย่างง่ายคือ:

R–NCO HO–R' → R–NH–COO–R'

ในทางปฏิบัติทางอุตสาหกรรม เหตุการณ์นี้ไม่ค่อยเกิดขึ้นเพียงขั้นตอนเดียว ผู้กำหนดสูตรควบคุมอย่างระมัดระวัง ดัชนีไอโซไซยาเนต — อัตราส่วนของหมู่ไอโซไซยาเนตต่อหมู่ไฮดรอกซิล แสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ดัชนี 100 หมายถึงอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ 1:1 โฟมแข็งมักใช้ดัชนี 110–120 เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาสมบูรณ์และมีความหนาแน่นของการเชื่อมขวางที่สูงขึ้น ในขณะที่สูตรโฟมยืดหยุ่นมักจะกำหนดเป้าหมายดัชนีใกล้กับ 100–105

ปฏิกิริยาข้างเคียงที่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติ

ปฏิกิริยาข้างเคียงที่สำคัญหลายประการเกิดขึ้นในระหว่างการก่อตัวของยูรีเทน ซึ่งแต่ละปฏิกิริยาจะปรับเปลี่ยนคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย:

• น้ำไอโซไซยาเนต → กรดคาร์บามิก → เอมีน CO₂ (ปฏิกิริยานี้ตั้งใจกระตุ้นให้เกิดฟองก๊าซในระบบโฟม)
• ไอโซไซยาเนตเอมีน → การเชื่อมโยงยูเรีย (เพิ่มความแข็งแกร่งและต้านทานความร้อน)
• ไอโซไซยาเนตยูรีเทน → การเชื่อมต่ออัลโลฟาเนต (ก่อตัวที่อุณหภูมิสูง เพิ่มการเชื่อมขวาง)
• ไอโซไซยาเนต ไอโซไซยาเนต → วงแหวนไอโซไซยานูเรต (การตัดแต่ง ทำให้เกิดโฟมแข็งที่ทนไฟอย่างยิ่ง)

ปฏิกิริยาแต่ละอย่างสามารถกระตุ้นหรือระงับได้โดยการปรับการเลือกตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ และปริมาณความชื้นในระหว่างการประมวลผล นักกำหนดสูตรถือว่าเคมีนี้เป็นชุดเครื่องมือ ไม่ใช่กระบวนการตายตัวเพียงขั้นตอนเดียว

วัตถุดิบที่หนึ่ง: ไอโซไซยาเนตและแหล่งที่มาทางอุตสาหกรรม

ส่วนประกอบไอโซไซยาเนตเป็นส่วนผสมหลักทั้งสองที่มีปฏิกิริยาทางเคมีมากกว่า สารประกอบไอโซไซยาเนตสองชนิดครองการผลิตยูรีเทนทั่วโลก:

MDI ผลิตจากสวรรค์และฟอร์มาลดีไฮด์ผ่านปฏิกิริยาควบแน่นจนเกิดเป็น MDA (เมทิลีนไดอะนิลีน) จากนั้นจึงทำปฏิกิริยากับฟอสจีน (COCl₂) เพื่อสร้าง MDI TDI เดินตามเส้นทางฟอสจีนที่คล้ายกันโดยเริ่มจากโทลูอีน ไดเอมีน เส้นทางฟอสจีนมีความโดดเด่นในอุตสาหกรรม แม้จะมีความเป็นพิษขั้นรุนแรงของฟอสจีน เนื่องจากไม่มีทางเลือกอื่นที่มีประสิทธิภาพเปรียบเทียบในเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง BASF, Covestro, Huntsman และ Wanhua Chemical เป็นผู้ผลิตไอโซไซยาเนตรายใหญ่ที่สุดในโลก

ไอโซไซยาเนตอะโรมาติก เช่น MDI และ TDI คุ้มต้นทุนและมีปฏิกิริยาสูง แต่จะเหลืองเมื่อสัมผัสกับแสง UV อะลิฟาติกไอโซไซยาเนต เช่น HDI (เฮกซาเมทิลีน ไดไอโซไซยาเนต) และ IPDI (ไอโซโฟโรน ไดไอโซไซยาเนต) มีราคาแพงกว่าแต่ให้ความคงตัวของสี ทำให้เป็นมาตรฐานสำหรับการเคลือบใสในยานยนต์และการเคลือบสถาปัตยกรรมภายนอกที่ต้องรักษารูปลักษณ์ไว้เป็นเวลาหลายทศวรรษ

วัตถุดิบที่สอง: โพลีออลและ แหล่งโพลีเอไมด์ การเชื่อมต่อ

โพลิออลเป็นอีกครึ่งหนึ่งของสมการยูรีเทน โดยพิจารณาความนุ่ม ความยืดหยุ่น ความทนทานต่อสารเคมี และพฤติกรรมทางความร้อนมากกว่าตัวแปรในสูตรอื่นๆ เกือบทั้งหมด โพลิออลที่ใช้ในเชิงพาณิชย์มี 2 ตระกูลหลัก:

โพลีเอเทอร์โพลิออล

โพลีออลโพลีออลถูกสร้างขึ้นโดยการเปิดวงแหวนโพลีเมอไรเซชันของโพรพิลีนออกไซด์ (PO) หรือเอทิลีนออกไซด์ (EO) ที่เริ่มต้นโดยสารประกอบเริ่มต้น เช่น กลีเซอรอล ซอร์บิทอล หรือซูโครส พวกมันคิดเป็นประมาณ 75% ของโพลิออลทั้งหมดถูกใช้ทั่วโลก ในการผลิตยูรีเทน มีความเสถียรทางไฮโดรไลติก ต้นทุนต่ำ และแปรรูปง่าย โฟมที่ยืดหยุ่นได้สำหรับเฟอร์นิเจอร์ เครื่องนอน และเบาะนั่งในรถยนต์นั้นต้องใช้โพลิออลโพลีเอเทอร์เป็นส่วนใหญ่

โพลีออลโพลีเอสเตอร์

โพลีออลโพลีเอสเตอร์ทำขึ้นโดยการควบแน่นพอลิเมอไรเซชันของไดแอซิด (เช่น กรดอะดิปิก) กับไดออล (เช่น เอทิลีนไกลคอลหรือบิวเทนไดออล) พวกเขาผลิตยูรีเทนที่มีความแข็งแรงเชิงกลที่เหนือกว่า ทนต่อการเสียดสี และต้านทานตัวทำละลาย เมื่อเปรียบเทียบกับระบบที่ใช้โพลีเอเทอร์ พื้นรองเท้า สายพานลำเลียง และสารเคลือบประสิทธิภาพสูงมักจะระบุถึงระบบยูรีเทนที่ใช้โพลีเอสเตอร์อย่างแม่นยำด้วยเหตุผลเหล่านี้ อย่างไรก็ตาม โพลิออลโพลีเอสเตอร์ไวต่อการไฮโดรไลซิสในสภาพแวดล้อมที่มีความชื้น ซึ่งทำให้จำกัดการใช้งานกลางแจ้งโดยไม่มีสารเพิ่มความคงตัว

แหล่งโพลีเอไมด์เป็นสารตั้งต้นและวัสดุเปรียบเทียบ

การทำความเข้าใจแหล่งที่มาของโพลีเอไมด์มีความเกี่ยวข้องที่นี่ เนื่องจากโพลีเอไมด์และโพลียูรีเทนมีต้นกำเนิดวัตถุดิบที่ทับซ้อนกัน และมักจะถูกเปรียบเทียบในการใช้งานทางวิศวกรรมและสิ่งทอ แหล่งโพลีเอไมด์ — โดยทั่วไปคือคาโปรแลคตัม (สำหรับไนลอน 6) หรือกรดอะดิปิกรวมกับเฮกซะเมทิลีนไดเอมีน (สำหรับไนลอน 6,6) — ให้ผลลัพธ์เป็นวัสดุที่มีส่วนต่อประสานของเอไมด์ (–CO–NH–) แทนที่จะเป็นส่วนต่อประสานของยูรีเทน ความแตกต่างมีความสำคัญเนื่องจาก:

• โพลีเอไมด์ที่ผลิตจากแหล่งโพลีเอไมด์ชีวภาพ (เช่น กรดเซบาซิกที่ได้มาจากน้ำมันละหุ่งสำหรับไนลอน 6,10) ให้การรับรองด้านความยั่งยืนที่เทียบได้กับโพลีออลชีวภาพที่ใช้ในระบบโพลียูรีเทนสีเขียว
• กรดอะดิปิกเป็นส่วนประกอบสำคัญจากแหล่งโพลีเอไมด์ (ใช้ในการผลิตไนลอน 6,6) ไปพร้อมๆ กัน และเป็นส่วนประกอบหลักในโพลีออลโพลีเอสเตอร์สำหรับระบบยูรีเทน ซึ่งหมายความว่าอุตสาหกรรมโพลีเมอร์ทั้งสองนี้มีห่วงโซ่อุปทานเคมีขั้นต้นที่เหมือนกัน
• ในการใช้งานด้านเส้นใย โพลีเอไมด์ (ไนลอน) และโพลียูรีเทน (สแปนเด็กซ์/ไลคร่า) มักถูกผสม — โดยโพลียูรีเทนให้การยืดตัวและการคืนสภาพ ในขณะที่ส่วนประกอบที่เป็นแหล่งกำเนิดโพลีเอไมด์มีส่วนต้านทานการเสียดสีและความเสถียรของมิติ
• ระบบปฏิกิริยาบางระบบใช้โอลิโกเมอร์โพลีเอไมด์ที่ปลายเอมีน ซึ่งเป็นแหล่งโพลีเอไมด์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลต่ำอย่างมีประสิทธิภาพ เป็นตัวขยายสายโซ่หรือตัวเชื่อมขวางในสูตรยูรีเทน ทำให้เกิดลักษณะของส่วนที่แข็งและปรับปรุงการต้านทานความร้อน

การทับซ้อนกันระหว่างห่วงโซ่อุปทานของแหล่งโพลีเอไมด์และห่วงโซ่อุปทานวัตถุดิบยูรีเทน หมายความว่าความผันผวนของราคาในกรดอะดิปิกหรือคาโปรแลคตัมส่งผลกระทบต่อทั้งสองอุตสาหกรรมไปพร้อมๆ กัน ในปี 2021-2022 การหยุดชะงักของห่วงโซ่อุปทานทั่วโลกส่งผลให้ราคากรดอะดิปิกพุ่งสูงขึ้นกว่า 40% ส่งผลกระทบต่อทั้งผู้ผลิตไนลอนและผู้ผลิตโพลีออลโพลีเอสเตอร์สำหรับการใช้งานยูรีเทน

ตัวเร่งปฏิกิริยา: ตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีเบื้องหลังการผลิตยูรีเทน

หากไม่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ปฏิกิริยาระหว่างโพลีออลและไอโซไซยาเนตจะดำเนินไปช้าเกินไปสำหรับการแปรรูปทางอุตสาหกรรม มีการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาหลักสองคลาส:

ตัวเร่งปฏิกิริยาเอมีนระดับอุดมศึกษา

เอมีนระดับอุดมศึกษา เช่น DABCO (1,4-diazabicyclo[2.2.2]ออคเทน) และ DMEA (ไดเมทิลเอทานอลเอมีน) ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาการสร้างยูรีเทนและปฏิกิริยาการเป่า (น้ำไอโซไซยาเนต → CO₂) ในระบบโฟม โดยทั่วไปแล้วตัวเร่งปฏิกิริยาเอมีนจะใช้ที่ 0.1–2.0 ส่วนต่อร้อยโพลิออล (pphp) . ตัวเร่งปฏิกิริยาเอมีนที่ทำปฏิกิริยาซึ่งรวมทางเคมีไว้ในแกนหลักโพลีเมอร์ได้รับความนิยมมากขึ้น เนื่องจากช่วยลดการปล่อยสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOC) จากผลิตภัณฑ์โฟมสำเร็จรูป ซึ่งถือเป็นลำดับความสำคัญด้านกฎระเบียบในการตกแต่งภายในรถยนต์

ตัวเร่งปฏิกิริยาออร์กาโนเมทัลลิก

สารประกอบออร์กาโนติน โดยเฉพาะอย่างยิ่งไดบิวทิลตินไดลอเรต (DBTDL) และออกโตเอตสแตนนัส (SnOct) เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ก่อให้เกิดเจลที่มีศักยภาพซึ่งส่งเสริมการสร้างการเชื่อมโยงยูรีเทนโดยเฉพาะ DBTDL มีประสิทธิภาพที่ความเข้มข้นต่ำที่สุด 0.01–0.05 หน้าต่อนาที . อย่างไรก็ตาม ตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ดีบุกกำลังเผชิญกับแรงกดดันด้านกฎระเบียบในสหภาพยุโรปภายใต้ข้อจำกัด REACH เนื่องจากความกังวลเรื่องความเป็นพิษ นี่เป็นการผลักดันให้เกิดการนำทางเลือกที่มีบิสมัทและสังกะสีมาใช้ ซึ่งมีกิจกรรมที่เทียบเคียงได้และมีโปรไฟล์ความเป็นพิษที่ต่ำกว่าอย่างมีนัยสำคัญ

การปรับอัตราส่วนของเอมีนต่อตัวเร่งปฏิกิริยาออร์แกโนเมทัลลิกให้สมดุลคือสิ่งที่ทำให้ผู้กำหนดสูตรสามารถควบคุมเวลาของครีม (ความหนืดเริ่มต้นที่เพิ่มขึ้น) เวลาเจล (เมื่อระบบสูญเสียการไหล) และเวลาที่ปราศจากการยึดติด (การบ่มพื้นผิว) ของระบบยูรีเทนใดๆ ที่กำหนดได้อย่างแม่นยำ การเปลี่ยนตัวเร่งปฏิกิริยาเพียง 0.05 pphp สามารถเปลี่ยนเวลาของเจลได้ 15–30 วินาทีในกระบวนการฉีดขึ้นรูปแบบปฏิกิริยา

สารเติมแต่งที่ปรับเปลี่ยนโครงสร้างยูรีเทนขั้นสุดท้าย

นอกเหนือจากสารตั้งต้นและตัวเร่งปฏิกิริยาหลักสองตัวแล้ว สูตรยูรีเทนทั่วไปยังมีส่วนประกอบเพิ่มเติมหลายอย่าง ซึ่งแต่ละองค์ประกอบมีจุดประสงค์เฉพาะ:

• สารพัด: สารเป่าทางกายภาพ (HFCs, HFOs, เพนเทน) หรือสารเป่าสารเคมี (น้ำที่ทำปฏิกิริยากับไอโซไซยาเนต) จะสร้างโครงสร้างเซลล์ในระบบโฟม น้ำเป็นสารพัดสารเคมีที่พบบ่อยที่สุด ตามทฤษฎีแล้วน้ำแต่ละกรัมจะสร้างCO₂ประมาณ 95 มล. ที่สภาวะมาตรฐาน
• สารลดแรงตึงผิว: สารลดแรงตึงผิวที่มีซิลิโคนควบคุมขนาดของเซลล์และความคงตัวของหน้าต่างเซลล์ในระหว่างการขึ้นฟอง หากไม่มีสารลดแรงตึงผิว เซลล์โฟมจะยุบตัวก่อนเกิดเจลโพลีเมอร์ โดยทั่วไปความเข้มข้นของสารลดแรงตึงผิวจะอยู่ที่ 1–2 pphp
• ตัวขยายโซ่: ไดออลสายสั้น (เช่น 1,4-บิวเทนไดออล) หรือไดเอมีน (เช่น MOCA) ทำปฏิกิริยากับไอโซไซยาเนตเพื่อสร้างส่วนที่แข็งในระบบเทอร์โมพลาสติก โพลียูรีเทน (TPU) ซึ่งจะเพิ่มความแข็งและโมดูลัส
• ตัวเชื่อมขวาง: ไตรออลหรือไตรเอมีนจะเพิ่มความหนาแน่นของการเชื่อมขวางของโครงข่าย ทำให้อุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะคล้ายแก้วเพิ่มขึ้นและทนต่อสารเคมี
• สารหน่วงไฟ: โพลีออลที่มีฟอสฟอรัสที่ทำปฏิกิริยาหรือสารประกอบฮาโลเจนเสริมจะถูกรวมเข้าไว้เมื่อต้องเป็นไปตามมาตรฐานอัคคีภัย ตัวอย่างเช่น ฉนวนในอาคารต้องเป็นไปตามข้อกำหนด EN 13501 หรือ ASTM E84
• ฟิลเลอร์และเหล็กเสริม: แคลเซียมคาร์บอเนต ใยแก้ว และคาร์บอนแบล็คสามารถรวมเข้ากับระบบยูรีเทนเพื่อปรับปรุงความแข็ง ลดต้นทุน หรือให้การนำไฟฟ้า

วิธีการประมวลผลทางอุตสาหกรรมสำหรับการผลิตผลิตภัณฑ์ยูรีเทน

เคมีของการก่อตัวของยูรีเทนเป็นเพียงส่วนหนึ่งของเรื่องราวการผลิตเท่านั้น วิธีการประมวลผลจะกำหนดรูปทรง ความหนาแน่น คุณภาพผิว และความแม่นยำของมิติของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย วิธีการที่แตกต่างกันเหมาะกับผลิตภัณฑ์ประเภทต่างๆ:

การผลิตโฟมแผ่นพื้น

Slabstock เป็นกระบวนการหลักสำหรับโฟมโพลียูรีเทนที่มีความยืดหยุ่น ส่วนประกอบที่เป็นของเหลวจะถูกสูบจ่ายโดยอุปกรณ์จ่ายแรงดันสูงไปยังสายพานลำเลียงที่กำลังเคลื่อนที่ โฟมลอยขึ้นสู่ระดับความสูงได้อย่างอิสระ 1.0–1.4 เมตร ในระยะทางเดินทางประมาณ 30–50 เมตร แล้วนำมาตัดเป็นบล็อก จากนั้นจึงนำบล็อกเหล่านี้ไปประดิษฐ์เป็นเบาะรองนั่ง ที่นอน พรมปูพื้น และบรรจุภัณฑ์ สายการผลิตแผ่นพื้นเดี่ยวสามารถผลิตโฟมได้ 1,500–3,000 กิโลกรัมต่อชั่วโมง

การฉีดขึ้นรูปปฏิกิริยา (RIM)

ใน RIM กระแสของเหลว 2 กระแส — ไอโซไซยาเนตและโพลีออลผสม — จะถูกผสมด้วยการปะทะที่แรงดันสูง (โดยทั่วไปคือ 150–200 บาร์) ในหัวผสมขนาดเล็กและฉีดเข้าไปในแม่พิมพ์แบบปิด ปฏิกิริยาจะเสร็จสิ้นภายในแม่พิมพ์ ทำให้เกิดชิ้นส่วนที่มีความหนาแน่นและมีมิติที่แม่นยำ RIM ใช้สำหรับแผงกันชนรถยนต์ แผงหน้าปัด และแผงตัวถังที่มีโครงสร้าง Reinforced RIM (RRIM) เพิ่มใยแก้วสับหรือตัวเติมแร่ธาตุลงในกระแสโพลิออลเพื่อเพิ่มความแข็ง

การใช้งานสเปรย์ยูรีเทน

พ่นโพลียูรีเทนโฟม (SPF) โดยใช้ปืนฉีดสององค์ประกอบที่ผสมด้าน A (ไอโซไซยาเนต) และด้าน B (ผสมโพลิออล) ที่ปลายหัวฉีด ส่วนผสมจะเกาะติดกับพื้นผิวและขยายตัวเข้าที่ SPF เป็นวิธีฉนวนหลักที่ใช้ในหลังคาเชิงพาณิชย์ในอเมริกาเหนือและฉนวนผนังที่อยู่อาศัยในอเมริกาเหนือ SPF เซลล์ปิดได้ค่า R ประมาณ R-6 ถึง R-7 ต่อนิ้ว — ประมาณสองเท่าของความต้านทานความร้อนของ SPF เซลล์เปิด

การหล่อและการปลูก

ระบบยูรีเทนเหลวสามารถหล่อลงในแม่พิมพ์แบบเปิดหรือเทรอบๆ ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์เพื่อเป็นฉนวนอิเล็กทริกและป้องกันการสั่นสะเทือน ยูรีเทนอีลาสโตเมอร์แบบหล่อใช้สำหรับล้ออุตสาหกรรม ลูกกลิ้ง ซีล และปาดน้ำสำหรับการพิมพ์สกรีน ความแข็ง Shore A สามารถกำหนดได้ตั้งแต่ 20 (อ่อนมาก) ถึง 90 (เกือบแข็ง) ทำให้นักออกแบบมีละติจูดที่มหาศาลเมื่อเปรียบเทียบกับยางหรือทางเลือกเทอร์โมพลาสติก

การอัดขึ้นรูปและการฉีดขึ้นรูปเทอร์โมพลาสติกโพลียูรีเทน (TPU)

TPU ถูกสังเคราะห์เป็นเม็ดผ่านกระบวนการอัดรีดปฏิกิริยา จากนั้นนำไปแปรรูปบนอุปกรณ์เทอร์โมพลาสติกทั่วไป TPU ประกอบด้วยส่วนที่แข็งสลับกัน (จากไอโซไซยาเนตและส่วนต่อขยายสายโซ่) และส่วนที่อ่อน (จากโพลิออล) สถาปัตยกรรมโคโพลีเมอร์บล็อกแบบแบ่งส่วนนี้ทำให้ TPU ผสมผสานความยืดหยุ่นและความเหนียวอันเป็นเอกลักษณ์ TPU พบได้ในเคสโทรศัพท์ สายยางและท่อ ฟิล์มลามิเนตสำหรับชุดกีฬา และส่วนประกอบของอุปกรณ์ทางการแพทย์ ความสามารถในการรีไซเคิลเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือระบบเทอร์โมเซ็ตยูรีเทน

เส้นทางที่ใช้ทางชีวภาพและยั่งยืนสู่การผลิตยูรีเทน

เคมียูรีเทนทั่วไปขึ้นอยู่กับวัตถุดิบตั้งต้นปิโตรเคมีทั้งหมด ด้วยแรงกดดันด้านความยั่งยืนที่เพิ่มขึ้นจากเจ้าของแบรนด์และผู้กำกับดูแล อุตสาหกรรมจึงได้พัฒนาแนวทางทางเลือกหลายประการ:

• โพลิออลจากชีวภาพ: โพลิออลที่ได้จากถั่วเหลือง น้ำมันละหุ่ง น้ำมันปาล์ม หรือน้ำมันคาโนลามีจำหน่ายทั่วไปและสามารถทดแทนโพลีออลที่ทำจากปิโตรเลียมหรือโพลีออลโพลีเอสเตอร์บางส่วนได้ น้ำมันละหุ่งมีเอกลักษณ์เฉพาะตรงที่เป็นโพลิออลตามธรรมชาติ (ประกอบด้วยกลุ่มไฮดรอกซิลจากกรดริซิโนเลอิก) และสามารถนำมาใช้โดยตรงหรือดัดแปลงทางเคมีก็ได้ เนื้อหาที่มีพื้นฐานทางชีวภาพของ 10–40% สามารถทำได้ในสูตรโฟมที่มีความยืดหยุ่นในเชิงพาณิชย์โดยไม่กระทบต่อประสิทธิภาพเชิงกล
• โพลีออลที่มี CO₂: เทคโนโลยี Cardyon ของ Covestro ใช้ CO₂ ที่จับมาจากกระบวนการทางอุตสาหกรรมเป็นโคโมโนเมอร์ในการสังเคราะห์โพลีอีเทอร์โพลิออลควบคู่ไปกับโพรพิลีนออกไซด์ สามารถหาน้ำหนักโพลิออลได้มากถึง 20% จาก CO₂ ซึ่งช่วยลดการพึ่งพาโพรพิลีนออกไซด์จากฟอสซิล
• โพลียูรีเทนที่ไม่ใช่ไอโซไซยาเนต (NIPUs): การวิจัยทางเคมีของไซโคลคาร์บอเนต-เอมีนช่วยให้เกิดการเชื่อมโยงคล้ายยูรีเทนโดยไม่ต้องใช้ไอโซไซยาเนตหรือฟอสจีน NIPU กำจัดวัตถุดิบที่เป็นอันตรายที่สุดออกจากกระบวนการผลิต และดำเนินการด้านการเคลือบและกาวอย่างจริงจัง
• โพลิออลรีไซเคิล: การรีไซเคิลทางเคมีของเสียจากโพลียูรีเทนผ่านไกลโคไลซิส ไฮโดรไลซิส หรือกรดไลซิส จะนำเศษส่วนโพลิออลกลับมาใช้ใหม่ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่เป็นสูตรใหม่ได้ ปัจจุบันบริษัทรีไซเคิลที่นอนและโฟมรถยนต์รายใหญ่หลายแห่งดำเนินการหน่วยไกลโคไลซิสเชิงพาณิชย์

เป็นที่น่าสังเกตว่าวัสดุจากแหล่งโพลีเอไมด์ชีวภาพ เช่น กรดซีบาซิกจากน้ำมันละหุ่งที่ใช้ในไนลอน 6,10 นั้น สอดคล้องกับแนวโน้มนี้ ห่วงโซ่อุปทานทางการเกษตรเดียวกันกับที่ใช้โพลีออลยูรีเทนชีวภาพยังทำหน้าที่เป็นแหล่งโพลีเอไมด์สำหรับเกรดไนลอนที่ยั่งยืนอีกด้วย การบรรจบกันนี้แสดงให้เห็นว่าเคมีจากชีวภาพจะทำให้ขอบเขตระหว่างกลุ่มวัสดุโพลียูรีเทนและโพลีเอไมด์ไม่ชัดเจนมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการใช้งานเส้นใยและฟิล์ม

ยูรีเทนกับโพลีเอไมด์: การเปรียบเทียบประสิทธิภาพข้ามคุณสมบัติหลัก

เนื่องจากแหล่งโพลีเอไมด์และสารตั้งต้นของยูรีเทนมักมาจากห่วงโซ่อุปทานสารเคมีเดียวกัน วัสดุทั้งสองนี้จึงเป็นคู่แข่งโดยตรงในการใช้งานด้านวิศวกรรมและสิ่งทอหลายประเภท การเปรียบเทียบต่อไปนี้จะอธิบายว่าแต่ละส่วนมีความเป็นเลิศตรงไหน:

ข้อมูลแสดงให้เห็นว่ายูรีเทนชนะอย่างชัดเจนจากความยืดหยุ่นและความยืดหยุ่นที่อุณหภูมิต่ำ ในขณะที่โพลีเอไมด์ (ขึ้นอยู่กับแหล่งที่มาของโพลีเอไมด์) ดีเยี่ยมในการใช้งานโครงสร้างที่อุณหภูมิสูง สำหรับการใช้งานสิ่งทอ นี่คือสาเหตุที่ผ้าชุดออกกำลังกายมักจะผสมสแปนเด็กซ์ (โพลียูรีเทนแบบแบ่งส่วน) กับไนลอน (โพลีเอไมด์) ในอัตราส่วนยูรีเทน 15–20% ต่อโพลีเอไมด์ 80–85% โดยน้ำหนัก

การควบคุมและการทดสอบคุณภาพในการผลิตยูรีเทน

การผลิตยูรีเทนที่สม่ำเสมอจำเป็นต้องมีการจัดการคุณภาพอย่างเข้มงวดในทุกขั้นตอน การทดสอบวัสดุนำเข้าที่สำคัญได้แก่:

• เลขไฮดรอกซิล (เลข OH): วัดเป็นหน่วย mg KOH/g ซึ่งจะกำหนดจำนวนตำแหน่งที่เกิดปฏิกิริยาบนโพลิออล ค่าเบี่ยงเบน ±2 มก. KOH/g สามารถเปลี่ยนความแข็งของโฟมและเวลาในการแข็งตัวได้อย่างวัดผลได้
• เนื้อหา NCO: เปอร์เซ็นต์ของกลุ่มไอโซไซยาเนตโดยน้ำหนักในส่วนประกอบไอโซไซยาเนต สำหรับ MDI โดยทั่วไปจะเป็น 30–33% NCO การปนเปื้อนของความชื้นในถังไอโซไซยาเนตจะลดปริมาณ NCO ที่แท้จริง และทำให้เกิดฟองหรือสะสมความหนืด
• ความหนืด: ส่วนประกอบทั้งสองจะต้องอยู่ในช่วงความหนืดที่กำหนดเพื่อการสูบจ่ายและการผสมที่แม่นยำ โพลีออลมักจะอุ่นที่อุณหภูมิ 25–35°C เพื่อลดความหนืดก่อนแปรรูป
• ปริมาณน้ำ (การไทเทรตแบบ Karl Fischer): แม้แต่การติดตามความชื้นในโพลีออลหรือไอโซไซยาเนตก็เปลี่ยนแปลงปฏิกิริยาการเป่าและทำให้เกิดข้อบกพร่อง ขีดจำกัดปริมาณน้ำที่ยอมรับได้มักจะต่ำกว่า 0.05% ในระบบโฟมแข็ง

การทดสอบผลิตภัณฑ์สำเร็จรูปขึ้นอยู่กับการใช้งาน ความหนาแน่นของโฟม (ASTM D3574), ชุดการบีบอัด, ความต้านทานแรงดึง และความสามารถในการติดไฟ (FMVSS 302 สำหรับรถยนต์, UL 94 สำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้า) เป็นมาตรฐาน สำหรับ TPU และอีลาสโตเมอร์ โดยทั่วไปจะระบุความแข็งของฝั่ง ความต้านทานการฉีกขาด และความต้านทานต่อความล้าของแรงดัดงอ (การทดสอบ Ross flex)

ข้อควรพิจารณาด้านความปลอดภัยในการผลิตยูรีเทน

การผลิตยูรีเทนเกี่ยวข้องกับสารเคมีอันตรายที่ต้องมีระเบียบวิธีการจัดการที่เข้มงวด ไอโซไซยาเนตเป็นปัญหาหลัก TDI มีขีดจำกัดการสัมผัสจากการประกอบอาชีพโดยเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักตามเวลา (TWA) ที่ 0.005 ppm (5 ppb) ในสหรัฐอเมริกา (OSHA PEL) ไอโซไซยาเนตเป็นสารที่ก่อให้เกิดอาการแพ้ - การได้รับสัมผัสในระดับต่ำซ้ำๆ อาจทำให้เกิดโรคหอบหืดจากการทำงานซึ่งอาจคงอยู่แม้หลังจากการสัมผัสสิ้นสุดลงแล้ว การป้องกันระบบทางเดินหายใจ ระบบการประมวลผลแบบปิด และการตรวจสอบอากาศอย่างต่อเนื่องเป็นสิ่งจำเป็นในสถานประกอบการใดๆ ที่ต้องจัดการไอโซไซยาเนตในกระบวนการเปิด

ตัวเร่งปฏิกิริยายังก่อให้เกิดอันตรายอีกด้วย Dibutyltin dilaurate จัดเป็นสารพิษในการสืบพันธุ์ในสหภาพยุโรป ตัวเร่งปฏิกิริยาเอมีนอาจระคายเคืองต่อผิวหนังและเยื่อเมือกที่ความเข้มข้นสูง สารเป่า เช่น เพนเทน เป็นสารไวไฟสูงและต้องใช้อุปกรณ์ไฟฟ้าที่ป้องกันการระเบิดในโซนการผลิต

วัสดุจากแหล่งโพลีเอไมด์ที่ใช้เป็นตัวดัดแปลงในระบบยูรีเทน เช่น โอลิโกเมอร์โพลีเอไมด์ที่ปลายเอมีน มีข้อกำหนดในการจัดการของตัวเอง โดยทั่วไปจะเน้นไปที่การควบคุมฝุ่นระหว่างการจัดการของแข็งและการสัมผัสไอเอมีนระหว่างกระบวนการหลอมเหลว การทำความเข้าใจโปรไฟล์ความเป็นอันตรายทั้งหมดของส่วนประกอบทุกชิ้น รวมถึงสารเติมแต่งจากแหล่งโพลีเอไมด์ ถือเป็นข้อกำหนดด้านกฎระเบียบและจริยธรรมสำหรับผู้ผลิต