Poliüretan

Poliüretan, karbamat bağlantıları ile birleştirilen organik üniteler zincirinden oluşan bir polimerdir. Esnek ve esnemeyen köpükler, dayanıklı elastomerler ve yüksek performanslı yapıştırıcılar, sentetik lifler, contalar, prezervatifler, halıların alt kısmı ve sert plastik yapımında kullanılırlar.

Poliüretan ürünlere çoğu zaman üretanlar da denir. Ancak etil karbamat olarak da bilinen özel üretan maddesi ile karıştırılmamalıdır. Poliüretanlar etil karbamattan yapılmaz ve onu içermezler.

Poliüretanlar ilk kez Alman bilim insanı Otto Bayer tarafından 1937 yılında sentezlenmiş ve diizosiyanatın diol ile reaksiyonuyla elde edilmiştir. Eğer ortamda su da varsa diizosiyanatın bir kısmı diol ile polimerleşirken küçük bir kısmı da su ile gaz (karbondioksit) çıkışı reaksiyonu vererek gözenekli poliüretan yapıyı (köpük veya sünger yapısı) meydana getirir. Olgunlaşma süresi (24-72 saat) sonunda oldukça sağlam bir polimer yapı elde edilir. Daha sonraları diollerin yerini daha büyük molekül ağırlıklı, polieter veya poliester yapısındaki polioller almıştır. Bu şekilde oluşan poliüretan daha sağlam ve daha esnek bir elastomer oluşturur.

Günümüzde poliüretanların esnek köpükler (süngerler), esnek ve şişmeyen yapıdaki elastomerler, yapıştırıcılar, kaplamalar, hem elastomer hem köpük yapısını içinde barındıran integral ürünler, sert köpükler (yalıtım malzemeleri), sert ve şişmeyen yapıdaki tahta taklidi ürünler gibi uygulamaları mevcuttur. Bunların köpük yapısındaki poliüretanlarda genellikle polieter polioller kullanılır.

Esnek köpükler genellikle konfor sağlama amacıyla üretildiği için açık hücre yapısında olmak zorundadır, sert köpükler ise kapalı hücre yapısında olmalı ve içerdiği gazı dışarıya salmamalıdır.

Şişmeyen poliüretanlarda ise bileşenlerdeki nem tamamen uzaklaştırılmalıdır. Bunların dışında poliester polioller kullanılarak üretilen terlik ve ayakkabı tabanları da poliüretan uygulamaları arasındadır. Ayrıca koltuk döşemelerinde, çanta ve ayakkabılarda kullanılan suni deri de poliüretandır.

Giydiğimiz ayakkabının tabanı olarak, oturduğumuz koltuklarda ve yattığımız yataklarda sünger ve suni deri olarak, ayna ve koltuk süslemelerinde tahta taklidi olarak, buzdolabı, termosifon vb. de yalıtım malzemesi olarak, araba konsolu ve direksiyonu olarak, fabrikaların ve soğuk odaların duvarlarını ve çatılarını kaplayan paneller olarak poliüretan hayatımızın her yerdedir.

Genelde kullanılan katalizörler DABCO, DMDEE gibi üçüncül amin'ler veya dibutiltin dilaurat gibi metalik sabunlardır. Aşırı izosiyanat trimerize olup katı poliizosiyanüratların oluşumuna yol açabileceğinden, başlangıç malzemelerinin stokiyometrisi dikkatli şekilde kontrol edilmelidir. Polimer genellikle yüksek derecede çapraz bağlı bir moleküler yapıya sahiptir, bu da ısıtıldığında erimeyen bir termoset malzemeyle sonuçlanır; ancak bazı termoplastik poliüretanlar da üretilmektedir.

Poliüretanın en yaygın uygulaması, polimerizasyonda bir gazın veya şişirici maddenin varlığını gerektiren katı köpükler'dir. Bu genellikle izosiyanatlarla reaksiyona girerek CO2 gazı ve kararsız bir karbamik asit grubu yoluyla amin oluşturan az miktarda su eklenerek elde edilir. Üretilen amin ayrıca üre grupları oluşturmak için izosiyanatlarla reaksiyona girebilir ve bu nedenle polimer, hem bunları hem de üretan bağlayıcıları içerir. Üre, reaksiyon karışımında çok çözünmez ve çoğunlukla poliüreden oluşan ayrı "sert bölüm" fazlar oluşturma eğilimindedir. Bu poliüre fazlarının konsantrasyonu ve düzenlemesi köpüğün özelliklerinde önemli etki yapar.

Üretilen köpüğün türü, şişirici maddenin miktarının düzenlenmesiyle ve ayrıca polimerizasyon karışımının reolojisini değiştiren çeşitli yüzey aktif maddelerin eklenmesiyle kontrol edilir. Köpükler, orijinal kabarcıkların veya hücrelerin çoğunun bozulmadan kaldığı "kapalı hücreli" veya kabarcıkların kırıldığı ancak kabarcık kenarlarının şeklini koruyacak kadar sert olduğu "açık hücreli" veya aşırı durumlarda ağsı olabilir.

Kapalı hücreli köpükler sert ısı yalıtımı'nda kullanılır. Çok yoğun mikro hücresel plastik köpükler, kullanımdan önce poliolün mekanik olarak köpürtülmesi yoluyla şişirici maddelerin eklenmesine gerek kalmadan oluşturulabilir. Bunlar, araba direksiyon simidi veya ayakkabı taban kaplamalarında kullanılan sert elastomer malzemelerdir.

Poliüretanın özellikleri, onu yapmak için kullanılan izosiyanat ve poliol türlerinden büyük ölçüde etkilenir. Poliolün katkıda bulunduğu uzun, esnek bölümler yumuşak, elastik polimer oluşturur. Çok miktarda çapraz bağlanma, sertlik veya sert polimerler oluşturur. Uzun zincirler ve düşük çapraz bağlanma çok esnek polimer, çok sayıda çapraz bağlı kısa zincirler sert polimer, uzun zincirler ve ara çapraz bağlanma ise köpük yapımında yararlı bir polimer oluşturur.

Poliüretan yapmak için ana bileşenler di- ve tri - izosiyanat’lar ve poliol’lerdir. Polimerin işlenmesine yardımcı olmak veya polimerin özelliklerini değiştirmek için başka malzemeler de eklenir.

TDI ve MDI genellikle diğer izosiyanatlardan daha ucuz ve daha reaktiftir. Endüstriyel tip TDI ve MDI izomerlerin karışımlarıdır ve MDI genellikle polimerik malzemeler içerir.

Köpüklerin, esnek köpük (örn. kalın döşemelik yatak köpüğü veya kalıplanmış araba koltuk köpüğü), sert köpük (örn. buzdolabı ısı yalıtım köpüğü) ve elastomerler (örneğin ayakkabı tabanları) vb. gibi kullanım alanları vardır.

Kısmen poliollerle reaksiyona sokularak veya izosiyanatların uçuculuğu (ve böylece zehirliliğini) azaltmak için başka malzemeler katarak, işlemeyi kolaylaştırmak veya nihai polimerlerlerin özelliklerini geliştirmek için donma sıcaklık noktaları düşürerek izosiyanatların yapısı değiştirilebilir.

Alifatik ve sikloalifatik izosiyanatlar daha az miktarlarda, çoğunlukla renk ve şeffaflığın önemli olduğu kaplamalarda ve diğer uygulamalarda kullanılır çünkü aromatik izosiyanatlarla yapılan poliüretanlar ışığa maruz kaldıklarında koyulaşır.

En önemli alifatik ve sikloalifatik izosiyanatlar, 1,6-heksametilen diizosiyanat (HDI), 1-izosiyanato-3-izosiyanatometil-3,5,5-trimetil-sikloheksan (izoforon diizosiyanat, IPDI) ve 4,4'-diizosiyanato disikloheksilmetan (H12MDI ya da hidrojene MDI)’dır.

Polioller, epoksitlerin reaksiyonu ile aktif hidrojen içeren bileşikler kullanılarak yapılan polieter polioller olabilir. Polyester polioller çok fonksiyonlu karboksilik asitleri ve polihidroksil bileşiklerinin polikondensasyonu ile yapılır. Son kullanımlarına göre ayrıca sınıflandırılabilirler.

Daha fazla molekül ağırlıklı polioller (2000 ila 10000 arasındaki molekül ağırlıkları olanlar) daha esnek poliüretanlar yapmak için kullanılırken daha az molekül ağırlıklı polioller (300 ila 700 arasındaki molekül ağırlıkları olanlar) daha sert ürünler yapar.