Dyspersja poliuretanowa
Przez dyspersję poliuretanową , czyli PUD, rozumie się poliuretanową żywicę polimerową zdyspergowaną w wodzie , a nie w rozpuszczalniku , chociaż można zastosować pewną ilość współrozpuszczalnika. Jego wytwarzanie obejmuje syntezę poliuretanów posiadających funkcjonalność kwasu karboksylowego lub niejonowych hydrofilów, takich jak PEG (glikol polietylenowy), wbudowanych w szkielet polimeru lub od niego oddzielonych.
Tło
Istnieje ogólna tendencja do przekształcania istniejących systemów żywic w żywice wodorozcieńczalne ze względu na łatwość użycia i względy środowiskowe. W szczególności ich rozwój był napędzany zwiększonym zapotrzebowaniem na systemy bezrozpuszczalnikowe, ponieważ produkcja powłok i klejów wiązała się z coraz większym uwalnianiem rozpuszczalników do atmosfery z wielu źródeł. Stosowanie rozpuszczalników zwolnionych z LZO nie jest panaceum, ponieważ mają one swoje słabe strony.
Problem zawsze polegał na tym, że poliuretany w wodzie nie są stabilne i reagują, tworząc mocznik i dwutlenek węgla . Opublikowano na ten temat wiele prac i patentów. Ze względów środowiskowych istnieje nawet nacisk, aby PUD był dostępny zarówno na bazie wody, jak i na bazie biologicznej lub wytwarzany z surowców odnawialnych. PUD stosuje się ze względu na ogólną potrzebę formułowania powłok, klejów, uszczelniaczy i elastomerów na bazie wody, a nie rozpuszczalnika, a także ze względu na postrzegane lub zakładane korzyści dla środowiska.
Synteza
Techniki i procesy produkcyjne zmieniły się na przestrzeni lat w stosunku do tych opisanych w pierwszych opublikowanych artykułach, artykułach w czasopismach i patentach. Dostępnych jest wiele technik w zależności od wymaganego rodzaju gatunku. Może powstać jon, który może być anionem , tworząc w ten sposób anionowy PUD lub może powstać kation , tworząc kationowy PUD. Możliwa jest także synteza niejonowego PUD. Wiąże się to z użyciem materiałów, które wytworzą etylenu lub podobny, lub rozpuszczalną w wodzie zawieszkę łańcucha z głównego szkieletu polimeru.
Anionowe PUD są zdecydowanie najpopularniejszymi dostępnymi na rynku. Aby je wyprodukować, początkowo w zwykły sposób wytwarza się prepolimer poliuretanowy , ale zamiast używać tylko izocyjanianu i poliolu , do głównego łańcucha polimeru lub do głównego łańcucha głównego dodaje się modyfikator . Modyfikatorem tym jest/był głównie kwas dimetylolopropionowy (DMPA). Cząsteczka ta zawiera dwie grupy hydroksylowe i kwas karboksylowy Grupa. Grupy OH reagują z grupami izocyjanianowymi, tworząc prepolimer zakończony grupą NCO, ale z boczną grupą COOH. Następnie dysperguje się go pod wpływem ścinania w wodzie z odpowiednim środkiem zobojętniającym, takim jak trietyloamina . Reaguje on z kwasem karboksylowym, tworząc sól rozpuszczalną w wodzie. Zwykle następnie dodaje się przedłużacz łańcucha diaminy w celu wytworzenia poliuretanu zdyspergowanego w wodzie bez wolnych grup NCO, ale z segmentami poliuretanu i polimocznika . Dytek A jest powszechnie stosowany jako przedłużacz łańcucha. Różne publikacje i patenty pokazują, że można również zastosować przedłużacz łańcucha aminowego z więcej niż dwiema grupami funkcyjnymi, taki jak triamina. Istnieje również nacisk na to, aby strategia syntezy nie opierała się na izocyjanianach. Gdy zablokowane izocyjaniany, nie ma funkcjonalności izocyjanianu (NCO), a zatem reakcja wodna wytwarza dwutlenek węgla, dzięki czemu dyspersja jest łatwiejsza.
Możliwe jest również wprowadzenie hydrofilowości do cząsteczki polimeru poprzez zastosowanie zmodyfikowanego przedłużacza łańcucha, zamiast robić to w szkielecie polimeru lub łańcuchu bocznym. Rezultatem są często materiały o niższej lepkości, a także większa zawartość substancji stałych. Odmianą tej techniki jest włączenie grup sulfonianowych. W ten sposób można przygotować mieszanki PUD/poliakrylan, również z wykorzystaniem wewnętrznych emulgatorów.
Kationowe PUD również wprowadzają składniki hydrofilowe podczas syntezy, ale istnieją i są badane techniki mające na celu poprawę wydajności i właściwości wodoodporności za pomocą różnych technik. Obejmuje to wprowadzenie gwiaździstego polidimetylosiloksanu.
Przeprowadzono i opublikowano badania, które pokazują, że to nie prędkość dyspersji, mieszanie mechaniczne lub mieszanie przy wysokim ścinaniu ma największy wpływ na właściwości, ale raczej skład chemiczny. Jednakże w pewnym stopniu można w ten sposób kontrolować rozkład wielkości cząstek.
Używa
Znajdują zastosowanie w powłokach , klejach , uszczelniaczach i elastomerach . Specyficzne zastosowania obejmują powłoki przemysłowe, żywice do powlekania UV, powłoki podłogowe, powłoki higieniczne, powłoki do drewna, kleje, powłoki do betonu, powłoki samochodowe, powłoki przezroczyste i zastosowania antykorozyjne. Wykorzystuje się je także przy projektowaniu i produkcji wyrobów medycznych takich jak opatrunek poliuretanowy, płynny bandaż na bazie dyspersji poliuretanowej. Aby poprawić ich funkcjonalność, należy zastosować środek zmniejszający palność zastosowań, opracowywane są produkty, które mają tę cechę wbudowaną w cząsteczkę polimeru. Znalazły one również zastosowanie w ogólnych zastosowaniach tekstylnych, takich jak powlekanie włóknin. Przy użyciu PUD i nanocząstek srebra syntetyzowano także powłoki skórzane o właściwościach antybakteryjnych.
Słabe strony i wady
Chociaż mają doskonałe właściwości środowiskowe, wodorozcieńczalne dyspersje poliuretanowe mają zwykle niższą wytrzymałość mechaniczną niż inne żywice. Odporność na zużycie i korozję również nie jest tak dobra, dlatego często są one hybrydyzowane. Inne strategie stosowane w celu przezwyciężenia niektórych słabości obejmują projektowanie molekularne i mieszanie/łączenie z materiałami nieorganicznymi, a nie polimerowymi. Zastosowanie centrum anionowego lub kationowego lub w istocie hydrofilowej niejonowej techniki wytwarzania powoduje trwałe, wbudowane osłabienie wodoodporności. Prowadzone są badania i opracowywane są techniki zwalczania tej słabości. Zastosowano również proste mieszanie. Ma to tę zaletę, że jeśli nie utworzyła się żadna nowa cząsteczka, a jedynie zmieszała się z istniejącymi zarejestrowanymi surowcami, jest to sposób na obejście pracy wymaganej do uzyskania rejestracji materiału w ramach różnych systemów krajowych, takich jak REACH w Europie i TSCA w USA . Ze względu na napięcie powierzchniowe wody , dziury i inne problemy związane z napowietrzaniem są częstsze i wymagają specjalnych dodatków, aby je wyeliminować . Zwykle nie są one produkowane z polioli pochodzenia biologicznego, ponieważ poliole pochodzenia roślinnego nie mają grup funkcyjnych poprawiających wydajność. Aby to osiągnąć, możliwa jest modyfikacja i umożliwienie jeszcze bardziej ekologicznych wersji.
Hybrydy
Wady PUD są poprawiane w wyniku badań. Jednym z takich obszarów jest hybrydyzacja z wykorzystaniem innych materiałów i technik. PUD wodorozcieńczalne i utwardzalne promieniami UV są przedmiotem intensywnych badań w ponad 100 artykułach naukowych opublikowanych w latach 2000–2020. Wyprodukowano i są wykonalne wodorozcieńczalne PUD-akrylany na bazie epoksydowanego oleju sojowego, które są również utwardzalne promieniami UV. Charakter akrylanu wpływa na właściwości.
W miarę wprowadzania centrów jonowych do wodorozcieńczalnych PUDów szeroko badano wodoodporność i absorpcję wody w końcowej folii. Charakter poliolu i poziom grup COOH oraz modyfikacja hydrofobowa innymi ugrupowaniami mogą poprawić tę właściwość. Największe ulepszenia dają poliole poliestrowe. Poliwęglanopoliole również poprawiają właściwości, zwłaszcza jeśli poliwęglan jest również fluorowany. Wzmocnienie PUDów nanomateriałami również poprawia właściwości, podobnie jak modyfikacja silikonem.
Aby uczynić PUD bardziej hydrofobowymi i wodoodpornymi, a tym samym usunąć ich słabości, zbadano szereg technik. Jednym ze sposobów jest dodanie akrylanu hydroksyetylu do poliolu reagującego z izocyjanianem. Po wytworzeniu PUD będzie miał końcową funkcjonalność wiązania podwójnego z akrylanu. Można go teraz kopolimeryzować z bardzo hydrofobowym akrylanem, takim jak akrylan stearylu, stosując techniki wolnorodnikowe. Ten wprowadzony długi łańcuch alkilowy nadaje hydrofobowość.
Inną metodą hybrydyzacji jest wytworzenie PUD, który jest zarówno anionowy, jak i z bardzo istotną modyfikacją niejonową, z wykorzystaniem polieteropoliolu na bazie tlenku etylenu. Dodatkowo można włączyć diol silikonowy.
Ponieważ PUD są żywicą zdyspergowaną w wodzie, po odlaniu w postaci folii i wysuszeniu mają z natury wysoki połysk. Można je zaprojektować tak, aby były matowe/płaskie poprzez dodanie funkcjonalności siloksanu.
Gospodarka niskoemisyjna i ekologiczna
W miarę jak świat dąży do przejścia na gospodarkę niskoemisyjną , technika wykorzystania wychwytywania dwutlenku węgla poprzez wykorzystanie dwutlenku węgla z atmosfery zyskuje coraz większą uwagę i prowadzone są badania. Trwają badania nad wykorzystaniem dwutlenku węgla w produkcji PUD. Podobnie ceniona jest wysoka zawartość składników pochodzenia biologicznego. Materiały powłokowe na bazie roślinnej, wodorozcieńczalne i utwardzane promieniami UV są uważane za bardzo ekologiczne i zostały zbadane.