Poliüretan Üretimi İçin Çevre Dostu ve Çok Bulunan Yenilikçi Poliol

  • Kimyasallar
  • Ziyaret: 8761
  • poliuretan, poliol
  • Son Güncelleme: 2-06-2017
  •  
    Share on Tumblr       

Poliüretan (PU) üretimi, çok sayıda yeni buluş ve ürünlerin çok hızlı bir şeklide gelişmesiyle artmaktadır. Biyobazlı sistemler geleneksel petrokimyasal poliüretan sistemlerine kıyasla çevresel avantajlar sunmaktadır. Artan biyo içeriği ile poliüretan sistemleri formüle etmek için hala yoğun araştırmalara ihtiyaç vardır. Ayrıca, poliüretanların maliyetini azaltmaya, mukavemetini ve çevre dostluluğunu arttırmaya yardımcı olması için lignin malzemeler üzerinde bazı yeni çalışmalar vardır. Bu yazıda yeni bulgulara bazı örnekler verilecek ve yeni eğilimler vurgulanacaktır.

1. Giriş
Poliüretanlar; yalıtım köpükleri, mobilya uygulamaları, kaplamalar, otomotiv, biyomedikal ve diğer birçok endüstriyel kullanımlarda uygulama alanına sahip çok amaçlı malzemelerdir. Poliüretanlar ilk Otto Bayer tarafından 1937 yılında keşfedildi ve o zamandan beri, polimerlerin bu ailesinin yaygın kullanılmasını sağlayan yeni bulgular olmuştur. Çevre dostu malzemelere olan ihtiyaç artan çevresel kaygılar, petrol fiyatlarındaki dalgalanmalar ve artan karbon ayak izi ile sürdürülebilir bir dünya için büyük önem taşımaktadır. Poliüretanlar petrokimyasal kaynaklardan ve aynı zamanda biyo-kaynaklardan elde edilebilen benzersiz malzemelerdir. Poliüretanlar için teknoloji biyo-tabanlı sistemlerden poliüretan üretilmesine olanak sağlamaktadır. Şu anda bitkisel yağlardan poliol üreten ticarileşmiş ve büyük ölçekli çok sayıda üretici vardır. Bu polioller arasında, soya polioller çok dikkat çeken ve poliüretan sektöründe en yaygın kullanılan poliollerdir. Fakat mekanik mukavemetin azalması nedeniyle soya poliyolların endüstriyel ölçekte kullanılmasında sınırlamalar vardır. Araştırmacılar takviye fazları birleştirilerek biyo bazlı poliollerden faydalanmanın yollarını bulmak için çalışmaktadır. Cam elyaf, nanokiller, nanoselüloz vb. takviye fazlardan bazılarıdır. Diğer yandan, lignin doğada bolca
mevcut olan ve umut vadeden bir polioldür. Ayrıca poliol, lignoselülozik biyoyakıt ve kâğıt endüstrilerinin yan ürünü olarak da elde edilir. Bu makale güncel PU üretim tekniklerini, biyobazlı poliüretanlara ait güncel trendleri özetleyerek, PU ile ilgili önümüzdeki yıllarda meydana gelebilecek gelişmelerle ilgili bir genel bakış sunacaktır.

2. Petrokimyasal PU
PUs diizosiyanat veya polimerik izosiyanatın bir poliol ile bir zincir uzatıcı, uygun katalistler ve diğer katkılarla reaksiyonu sonucu üretilen yaygın bir polimer türüdür.

Polioller
Polioller, ester, akrilik, eter, amid ve hidroksil ile birlikte diğer fonksiyonel gruplar içerirler. PU’nun özellikleri ayrıca başlatıcı poliolünün molekül ağırlığı kadar, çapraz bağlanma derecesine de bağlıdır. Yüksek oranda dallanmış polioller, dayanıklı mükemmel termal mukavemete sahip PU oluşumuna sebep olurken, daha az dallanmış polioller PU’ya iyi bir esneklik ve kimyasal stabilite kazandırır.

İzosiyanatlar
Izosiyanatlar PU sentezinin temel yapı taşlarından biridir. Bu sınıf kimyasallar her bir molekülünde iki veya ikiden fazla –NCO molekülü taşıyan izosiyanatlardır. Bunlar
doğada alifatik, sikloalifatik, polisiklik veya TDI, meta- tetrametilksilendiizosiyanat (TMXDI), MDI, 4,4’ – Disiklohekzilmetan diizosiyanat (H12MDI), norbornandiizosiyanat (NDI), ksilendiizosiyanat (XDI), meta-tetrametilksilen diizosiyanat (TMXDI) gibi aromatik olabilirler.

Katkılar
PU sentezinde özellikle reaksiyonu kontrol etmek, bitirmek veya son ürünü değiştirmek için bazı katkılar gereklidir. Bunlar; katalizörler, zincir uzatıcıları, çapraz bağlayıcılar, dolgular, nem tutucuları, renklendiricilerdir. Katalizörler reaksiyonun artmış hızlarda ve bloklanmış izosiyanatın deblokajı için daha düşük sıcaklıklarda olmasını sağlamakla beraber, PU üretiminde kürleme sıcaklığını da düşürler.

PU’lerin Özellikleri
PU’lar, özkütlesi 6 kg/m3’den 1,220 kg/m3’e, sertliği esnek elastomerlerden rijid sert plastiklere kadar çok çeşitli derecelerde üretilebilirler.

3.Poliüretanların Uygulamaları
Otomotiv
PU’ların bu alandaki kullanımı hem üretici hem de son kullanıcı için iyi oturmuştur. Uygulamalar; oturma, direksiyon ve panolar gibi iç doldurmalarda, komple yumuşak ön uçları, enstrüman parçalarının bileşenleri ve ayna çerçevesi gibi aksesuarlar ve rüzgârlıklar. Kapı panelleri, şapkalıklar, güneş çatıları, kamyon yatakları, tavan döşemesi, motor boşluğunda monte edilmiş bileşenler ve hatta yapısal şasi bileşenleri günümüzde PU’dan yapılmaktadır.

Mobilya
Tamponlama malzeme pazarı büyük oranda, kauçuk lateks köpük, pamuk, at kılı, polyesterfiber, metal yaylar, ahşap, uzatılmış polistren, propilen ve PVC ile rekabet eden PU esnek köpüklerince beslenir. PUlar ayrıca, güçlü, dayanıklı fakat dekoratif esnek veya sert olan toplam yüzey köpük yapılarına ihtiyaç duyulduğunda idealdir.

Yapı
Metal, kâğıt, plastik veya ahşap ile tabakalı olarak sıkıştırıldığında, PU köpük, yapı endüstrisinde önemli bir rol oynar. Böyle kompozitler, tuğla, beton, tahta veya metalin, polistiren köpük, cam yünü veya mineral yün gibi diğer izolasyon malzemeleri ile birlikte kullanıldığı konvansiyonel yapıların yerini alabilirler. Teknik olarak, ahşap kompozitler yük taşıyıcı uygulamalarda ve yer döşemeleri ve tavan gibi ahşap yapı yüzeylerinde kullanılmak üzere üretilebilirler (Şekil 1).

Termal Yalıtım
Sert PU köpük, binaların, buzdolaplarının ve diğer beyaz eşyaların termal izolasyonu için emsalsiz avantajlar sunmaktadır. Rekabet edebilen malzemeler; mantar meşesi kabuğu, cam yünü, mineral yün, köpükleştirilerek genişletilmiş ve kalıptan çekilmiş polistiren ve fenol formaldehittir.

Ayakkabılar
Ayakkabı tabanları, bazı sentetik ayakkabı yüzleri ve yüksek performanslı birçok tür ayak giysisi bileşeni PU’dan üretilir. Bunlar, geleneksel deri ve kauçuk, PVC, termoplastik kauçuk ve EVA ile rekabet edebilmektedir. Ayakkabı üretimi ve kaplamasında kullanılan PU yapışkanlar gerçek ve sentetik deriden yapılmış ayakkabı tabanlarının görüntüsünü ve giymeye karşı mukavemetini iyileştirmek üzere kullanılırlar.
Çevresel kaygılardan ve artmış sürdürülebilirlik bilincinden dolayı, yeşil maddelere ihtiyaç duyulmakta ve günümüz teknolojisi ile biyolojik kaynaklardan poliüretanlar üretilebilmektedir. Takip eden bölümde biyobazlı poliüretanlar, sonraki bölümde de bitki bazlı poliollerden biri olan lignin derinlemesine açıklanacaktır.

4. Biyobazlı Poliüretanlar
Petrol bazlı kimyasallar yerine biyobazlı poliüretan kullanımı dünyada en önemli konularından biridir. Biyobazlı poliüretan üretimi için izosiyanat ve biyobazlı poliol olmak üzere iki önemli reaktant vardır. Farklı ürün ve uygulamalar ile farklı direnim ve uzama değerleri oluşturmak için bu iki reaktantın birçok çeşitleri kullanılır. Günümüzde, araştırmacılar yenilenebilir kaynak olduğu için bitkisel polioller üzerinde odaklanmıştır. Çeşitli bitkilerden elde edilen yağlar, bazı tepkimeler ile poliollere dönüştürülür. Hint yağı ve soya fasulyesi yağı olmak üzere iki tür poliol yaygın olarak kullanılır. Öncelikle hintyağı, izosiyanat grupları ile reaksiyona giren hidroksil numaraları yüksek olmasından dolayı kullanılır. Aynı anda, soya fasulyesinden elde edilen diğer poliol ise soya fasulyesi yağı en ucuz bitkisel yağlardan biri olduğu için kullanılır. Bu nedene rağmen, soya poliol esaslı poliüretanlar sınırlıdır; çünkü düşük mekanik özellikleri ve işleme sırasında açığa çıkan koku vardır. Biyobazlı poliüretanları güçlendirmek ve cam elyaf, doğal elyaf ve lignin ile düşük mekanik özelliklerinin üstesinden gelmek için bazı çalışmalar bulunmaktadır.

5. Lignin Esaslı Poliüretanlar
Lignin, çok sayıda reaktif fonksiyonel gruba sahip, makul derecede biyobozunur, iyi yapıştırıcı, çok çeşitli değişim seçenekleri, yüzeyde tutunma ve çözülme, çeşitli temel kimyasallar ile uyumlu olması gibi avantajlı özelliklerinden dolayı yeni çeşit mühendislik plastiklerinin elde edilmesinde kullanılır. Diğer taraftan, kimyasal yapısı ve moleküler ağırlığı bitki türlerine ve çıkarma yöntemine göre değiştiği için kullanımda zorluklar yaratmaktadır.
Yeni polimer, poliüretanın kimyası kullanılarak, lignin ve soya poliol ile sentezlenir. Lignin, dünyanın en çok miktarda bulunan ikinci biyopolimeridir. Bu bulguların en önemli yönü, lignin için yeni uygulamalar bulmaktır. Lignin, selüloz-kâğıt ve lignoselülozik biyoyakıt endüstrilerinde yan ürün olarak elde edilir. Çoğunlukla yakılarak düşük fiyatlı enerji kaynağı olarak kullanılır.
Bitki bilim adamlarının keşfetmeye çalıştığı bir diğer önemli alan ise ligninin katma değerli kullanımıdır. Ligninden yararlanılarak yeşil malzeme olarak poliüretan sentezlemek için bazı çalışmalar vardır1. Dr. Seydibeyoğlu tarafından yürütülen bir çalışmada, %100 biyobazlı poliol yapmak için soya poliol ve lignin karıştırılmış ve ligninin güçlendirici etkisini gösteren bazı ön sonuçlar önceki makalede yayınlanmıştır2. Lignin parçacıkları Şekil 2’de gösterilmektedir. Lignin ve soya poliolle yapılan yeni poliüretan Şekil 3’de gösterilmektedir. Tipik lignin, poliüretan ve lignin esaslı poliüretanın kimyasal yapıları da sırasıyla Şekil 4, 5, 6’da gösterilmektedir.

6. Yeni Gelişen Poliüretan Malzemeler
Poliüretan sanayisi, birçok uygulamada Polivinil Klorür (PVC) ve lastik gibi diğer polimer sistemlerinin yerine geçiyor ve büyüyor. Yukarıda açıklandığı gibi, poliüretanın çok yönlü kimyası ile çeşitli uygulamalarda kullanılmak için birçok yeni sistem çeşitleri sunulabilir. Önümüzdeki yıllarda, poliüretan malzemeler ile ilgili araştırmalar aşağıdaki alanlarda olacaktır;
a. Alternatif poliollerin kullanımı,
b. Geri dönüşümlü termoplastik poliüretan sistemleri,
c. Termoplastik poliüretanlarda son gelişmeler,
d. Poliüretanlar için alev geciktiriciler,
e. Poliüretanlar için gelişmiş nano malzemeler ve katkı maddeleri,
f. Biyomedikal uygulamalar için poliüretanlar,
g. Yeşil poliüretanlar.
Yukarıda listelenen başlıklar arasında, yeşil malzeme kullanımı hızla artmaktadır. Özellikle şu anda soya poliol içeren poliüretan üretimi artmaktadır. Soya poliol esaslı poliüretanların mukavemet değerleri petrol esaslı poliüretanlara göre düşük olması büyümesine engelleyen sebeplerdendir. Bu makalede, lignin malzemesinin soya poliol ve diğer bitkisel poliol sistemler ile yeni poliol karışımı olarak kullanımını vurgulamak amaçlanmaktadır. Karmaşık kimyasal sistemi ile lignin poliüretan malzeme ve biobased poliüretan malzeme güçlendirmek için yardımcı olabilir. Ayrıca, lignin, biyorafineri ve kâğıt endüstrisinde yan ürün olarak üretilmektedir ve bu endüstrilerden yan ürün olarak yeni yeşil poliüretan malzemelerin üretiminde yararlanmak mümkündür. Önümüzdeki yıllarda, yenilenebilir, düşük fiyatlı ve çevre dostu malzemeler üretmek için, lignin kaynaklardan elde edilen poliüretanın değişik uygulamaları araştırma altında olacaktır.

Referenslar:
1. H. Cheradame, M. Detoisien, A. Gandini, F. Pla, G. Roux, "Polyurethane from kraft lignin”, Polymer International, 21, 269, 1989.
2. M.Ö. Seydibeyoğlu, M. Misra, A.Mohanty "New Biobased Polyurethane from Soy Plants and Lignin”, Bioplastics Journal , 5,42, 2010.