ما هو البولي يوريثان (PU)؟
البولي يوريثان هو بوليمر ذو سلسلة كربونية. يتكوّن البولي يوريثان (المعروف صناعياً باسم PU) من تفاعل البوليول مع ثنائي الأيزوسيانات بوجود محفزات ومواد مضافة مناسبة.
- المكوّن (Component A): البوليول
- المكوّن (Component B): الأيزوسيانات
البوليول: هو مزيج من البوليولات القائمة على البولي إيثر أو البولي إستر، يُضاف إليها بنسب مناسبة المحفزات والسيليكون والملونات وعوامل النفخ والمواد الكيميائية الأخرى. تحمل هذه المزائج مجموعات هيدروكسيل (OH) حرة في بنيتها.
محتوى ذو صلة: ما هو البوليول؟ ما هي أنواع البوليول؟
الأيزوسيانات: هي مواد كيميائية تحمل مجموعات NCO حرة في بنيتها، وتدخل في تفاعل طارد للحرارة عند مزجها مع نظام البوليول. تُعرَّف الأيزوسيانات وتُسمَّى وفقاً لعدد مجموعات NCO التي تحملها.
محتوى ذو صلة: الأيزوسيانات
تاريخ البولي يوريثان
بدأ اكتشاف كيمياء اليوريثان في عام 1849. في تلك السنوات، اكتشف فورتز وهوفمان تفاعلاً يشمل مركبات الأيزوسيانات والهيدروكسيل. في عام 1937، قام الدكتور أوتو باير بتكييف هذا التفاعل للاستخدام التجاري. وقبل هذه العملية، بدأ النايلون، الذي كان مفضلاً في عالم الصناعة، يتراجع تدريجياً لصالح بوليمرات اليوريثان القائمة على البوليستر. ومع اندلاع الحرب العالمية الثانية، أدى تراجع استخدام المواد الخام الأساسية كالمطاط بسبب شحّ الموارد إلى تسهيل تطوير مادة البولي يوريثان للألياف والجلود والرغاوي والطلاءات.
تُشكّل البولي يوريثانات، المستخدمة في إنتاج العديد من المنتجات الموجودة في مساحات حياتنا اليوم، إحدى أهم فئات البوليمرات، وهي مجموعة بوليمرية تحتوي في بنيتها على مجموعات ثنائي الأيزوسيانات والديول بنسب ومجموعات مختلفة. ويعود سبب كون البولي يوريثان المجموعة البوليمرية الأكثر تفضيلاً إلى سهولة الحصول عليه من مونومرات سائلة بعملية بسيطة تتطلب طاقة منخفضة. فضلاً عن ذلك، فهو يشكل مجموعة واسعة من المنتجات تتراوح من الإيلاستومرات الخطية الناعمة إلى الرغاوي الصلبة الحرارية.
ما هي رغوة البولي يوريثان (PU)؟ ولماذا تُستخدم؟
يتم الحصول على رغوة البولي يوريثان عن طريق مزج أنظمة البولي يوريثان بنسب معينة. تُستخدم هذه المادة لتوفير عزل حراري أو صوتي أو مائي بدرجة عالية. ما هي رغوة البولي يوريثان؟
ما هي أنواع رغوة البولي يوريثان؟
توجد أنواع عديدة مختلفة من رغاوي البولي يوريثان وفقاً لخصائصها مثل الصلابة والمرونة وملمس السطح. وقد أتاحت إمكانية إنتاجها بالأشكال والأحجام المطلوبة مجال تطبيق واسع جداً. تنقسم رغاوي البولي يوريثان من الناحية الهيكلية إلى: رغاوي البولي يوريثان الصلبة، رغاوي البولي يوريثان المرنة، رغاوي البولي يوريثان شبه الصلبة، رغاوي البولي يوريثان الإيلاستومرية، رغاوي البولي يوريثان بالرش وغيرها.
محتوى ذو صلة: ما هي رغوة البولي يوريثان بالرش؟ ما فائدة رغوة البولي يوريثان وأين تُستخدم؟
ما هو الفرق بين رغوة البولي يوريثان المرنة ورغوة البولي يوريثان الصلبة؟
رغاوي البولي يوريثان المرنة (PUR) هي كوبوليمرات مفتوحة الخلايا، مُرغَّاة كيميائياً أو فيزيائياً، تتكون من ثنائي الأيزوسيانات الحاوية على مجموعتين أو أكثر من -NCO والبوليولات الحاوية على مجموعتين أو أكثر من -OH المرتبطة بمجموعات اليوريثان. يمكن تعريفها أيضاً بأنها رغاوي بولي يوريثان ذات خلايا مفتوحة تتمتع بقابلية تمدد واستعادة الشكل بدرجة محدودة. وتتميز رغاوي البولي يوريثان المرنة بخفة وزنها ومتانتها فضلاً عن راحتها العالية. تُستخدم في العديد من القطاعات المختلفة وعلى رأسها المراتب والأثاث والسيارات. ما هي الرغوة المرنة؟
رغاوي البولي يوريثان الصلبة تتميز بمعامل توصيل حراري (لامبدا) أقل بكثير من مواد العزل الأخرى كالخشب والصوف الصخري والبوليسترين، وذلك بفضل كمية الخلايا المغلقة العالية وغازات العزل الموجودة في محتواها. لذلك، فإن العزل الحراري الذي توفره رغاوي البولي يوريثان الصلبة أعلى بكثير مقارنة بمواد العزل الأخرى. وتُستخدم في العديد من القطاعات المختلفة بدءاً من العزل الحراري للمباني والسخانات والمبردات وصولاً إلى إنتاج المنتجات الزخرفية المقلدة للخشب.
في أي قطاعات يُستخدم البولي يوريثان؟
من الممكن استخدام مجموعة واسعة من ثنائي الأيزوسيانات والبوليولات في إنتاج البولي يوريثان. وهذا يتيح تشكيلة واسعة من المنتجات لتلبية احتياجات التطبيقات الخاصة في العديد من القطاعات المختلفة. إضافة إلى ذلك، فإن سهولة معالجته وتشكيله فيزيائياً، وقدرته على أن يكون صلباً ومرناً في آنٍ واحد، تتيح استخدامه بنسبة عالية في المجالات الصناعية.
تتميز رغاوي البولي يوريثان بمعامل توصيل حراري منخفض. وبهذه الخاصية توفر رغاوي البولي يوريثان عزلاً ممتازاً. وتُفضَّل بشكل أكبر مقارنة بالمنتجات التقليدية كمادة عزل في العديد من القطاعات، بدءاً من حفظ الأغذية من التلف في قطاع التبريد وصولاً إلى توفير الطاقة والحرارة في عزل المباني.
يعود السبب الرئيسي لتفضيل مادة البولي يوريثان على المنتجات التقليدية إلى إمكانية الحصول على منتجات بأشكال وأحجام مختلفة ذات خصائص متنوعة للغاية عن طريق تغيير المواد الخام ونسبها المستخدمة.
1. قطاع الأحذية
يُفضَّل البولي يوريثان بشكل كبير في قطاع الأحذية لأنه يلبي المعايير الرئيسية المطلوبة في إنتاج النعل والصندل والنعل الداخلي بفضل خصائصه كالراحة والمرونة والمتانة والخفة. يُستخدم في مجال واسع داخل القطاع، من إنتاج نعل الصندل منخفض الكثافة إلى إنتاج جلد البولي يوريثان أو نعل أحذية العمل التي تتطلب مرونة ومتانة عالية.
2. قطاع البناء والعزل
يُستخدم البولي يوريثان في المباني والمنشآت بشكل أساسي لتوفير العزل الحراري. وبفضل خاصيتي العزل الحراري ومنع تسرب الهواء، فإنه يحبس الحرارة في البيئة المحيطة. ولهذا الغرض يتم إنتاجه على شكل ألواح وألواح ساندويتش ومقاطع أنابيب، أو يُستخدم بطريقة الرش في مواقع البناء كرغوة بولي يوريثان بالرش. توفر رغوة البولي يوريثان توفيراً في الطاقة من خلال إضافة أداء عزل عالٍ للمباني بخاصية التوصيل المنخفض.
يتميز البولي يوريثان بخاصية منع الحريق. وفقاً للمعايير الأوروبية الجديدة، فهو منتج يندرج ضمن فئة الحريق E (مادة صعبة الاشتعال). وهذه الخاصية تزيد من مقاومة الحريق في المباني. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم البولي يوريثان في المباني والمنشآت كمواد طلاء وحماية ولاصقة وحشو لأغراض العزل المائي. وبالتالي، يمكن استخدام المواد القائمة على البولي يوريثان في كل جزء تقريباً من المبنى من الأساس إلى السقف.
أنظمة البولي يوريثان للبناء والعزل
3. قطاع الأثاث
يُفضَّل البولي يوريثان بشكل متكرر في قطاع الأثاث بفضل خصائصه كالعمر الطويل وسهولة التشكيل وقابلية الطلاء والخفة وسهولة التطبيق.
تُستخدم رغاوي HR (عالية المرونة) من عائلة رغاوي البولي يوريثان المرنة في إنتاج كراسي المكاتب، وتُستخدم رغاوي الذاكرة (فيسكو) في إنتاج المراتب والوسائد، بينما تُستخدم رغاوي البولي يوريثان الصلبة في إنتاج منتجات الديكور المقلدة للخشب في قطاع الأثاث.
أنظمة البولي يوريثان للأثاث والإسفنج
4. قطاع السيارات
تتمثل أهم أسباب الحصة المتزايدة لاستخدام البولي يوريثان في قطاع السيارات في: انخفاض تكلفة إنتاج القطع وتجميعها، وخفتها، ومقاومتها للصدمات، وإمكانية إنتاجها بخصائص مختلفة حسب مكان التطبيق، ومرونتها، ومقاومتها للتآكل. وبشكل خاص، تُستخدم رغاوي البولي يوريثان المتكاملة من عائلة رغاوي البولي يوريثان في إنتاج مقود السيارة ومسند الذراع والكونسول والمصد وغيرها من ملحقات السيارات. كما تُستخدم رغاوي البولي يوريثان المرنة في عزل الصوت في السيارات بفضل خاصية العزل الصوتي، وأنظمة رغوة HR من نفس المجموعة في إنتاج مقاعد السيارات. وتتيح خاصية الإحكام في البولي يوريثان استخدامه كمادة عازلة في إنتاج أغلفة الكابلات في السيارات.
5. قطاع التدفئة والتبريد
يُستخدم البولي يوريثان في قطاع التدفئة في السخانات وألواح الطاقة الشمسية؛ وفي قطاع التبريد في المبردات الصناعية والمنزلية (الثلاجات) وغرف التبريد وصناديق الشحن المبردة لتوفير العزل الحراري. توفر رغاوي البولي يوريثان الصلبة من عائلة رغاوي البولي يوريثان، بفضل التوصيل الحراري المنخفض، خاصية عزل تحافظ على درجة الحرارة المطلوبة داخل هذه المنتجات مما يقلل استهلاك الطاقة ويوفر كفاءة عالية.
أنظمة البولي يوريثان للتدفئة والتبريد
6. صناعة الطيران
يُستخدم البولي يوريثان في العديد من المجالات في الطائرات. تُستخدم رغاوي البولي يوريثان المرنة في إنتاج مقاعد الطائرات لتوفير تجربة سفر مريحة للركاب. وتُستخدم طلاءات البولي يوريثان في جدران المقصورة والأسقف والحجرات العلوية ودورات المياه في الطائرات نظراً لمقاومتها العالية للتآكل. بالإضافة إلى ذلك، تُفضَّل رغاوي البولي يوريثان كمادة عازلة في الطائرات.
7. صناعة الدفاع
من المتوقع أن تتمتع المواد العسكرية بخصائص تقاوم الظروف القاسية لفترات طويلة. وتعد المتانة والراحة والأداء العالي أموراً بالغة الأهمية لهذه المواد.
تُستخدم رغاوي البولي يوريثان بشكل متكرر في صناعة الدفاع في إنتاج وسائد الصدمات والخوذات التكتيكية ونعال أحذية القتال وغيرها من المنتجات، وذلك بفضل خصائصها كالخفة ومقاومة التآكل العالية والمرونة.
8. المنتجات الطبية
يُفضَّل البولي يوريثان بشكل متكرر في إنتاج القطع الطبية بفضل مزاياه العديدة العالية مثل المرونة العالية ومعامل الراحة العالي (SAG) ونطاق الصلابة القابل للتعديل والعمر الاستخدامي الطويل. ويوفر البولي يوريثان خصائص مريحة للعديد من المنتجات الطبية بفضل قدرته على العودة إلى شكله الأصلي (resilient).
9. تكنولوجيا التغليف
تُستخدم رغوة البولي يوريثان أيضاً في إنتاج التغليف بفضل خصائصها كالمرونة والخفة وسهولة التشكيل. تفضل الشركات التي تنتج منتجات صغيرة أو خفيفة أو حساسة للصدمات استخدام رغوة البولي يوريثان في الغالب لتغليف منتجاتها. كما تُستخدم رغوة البولي يوريثان في تغليف العديد من القطع الهشة في قطاعي الإلكترونيات والسيارات. ومن أسباب تفضيل رغوة البولي يوريثان بشكل متكرر في قطاع التغليف هو إمكانية إنتاجها بالأحجام ودرجات الصلابة المطلوبة وفقاً لحجم ونوع المنتج المراد تغليفه.
10. الملاحة البحرية
تُستخدم رغوة البولي يوريثان في محركات السفن والقوارب واليخوت لتوفير العزل الحراري. ولهذا الغرض تُستخدم طلاءات البولي يوريثان والمواد الرابطة المطاطية ورغاوي البولي يوريثان الصلبة. بفضل الخصائص الميكانيكية العالية والمقاومة العالية للعوامل الخارجية للبولي يوريثان، يُحمى جسم القارب من الماء والظروف الجوية والتآكل والعوامل الأخرى التي تؤثر على الديناميكا المائية وتقصّر عمر القارب. كما يُستخدم البولي يوريثان في القوارب لتوفير عزل صوتي يقلل الضوضاء إلى أدنى مستوى.
الخصائص العامة للبولي يوريثان
تعتمد الخصائص العامة للبولي يوريثانات بشكل كبير على بنية العمود الفقري البوليمري. ويمكن تكييفها لتتمتع بمقاومة عالية أو صلابة عالية أو مرونة عالية.
- مقاومة الصدمات للبولي يوريثان استثنائية حتى في درجات الحرارة المنخفضة، لذلك فهو يوفر مقاومة ضد التشقق والتمزق والكسر والانتفاخ.
- تقدم مقاومة التآكل للبولي يوريثان حلولاً للعديد من التطبيقات المهمة، خاصة في صناعات التعدين والنفط والغاز حيث يمثل التآكل الشديد مشكلة. وتُظهر البولي يوريثانات ميزة تآكل ملحوظة مقارنة بالعديد من المواد في كل من التطبيقات الميدانية والاختبارات المعملية.
- تُصب قطع البولي يوريثان عادةً في قوالب منخفضة الضغط أرخص تكلفة. وكسائل، يمكن للبولي يوريثان ملء حتى تجاويف القوالب المعقدة دون الحاجة إلى قوالب وضغوط عالية.
- يمكن للبولي يوريثان أن يتحمل كلاً من الشد والضغط. ويمكنه تغيير شكله تحت الأحمال الثقيلة، والعودة إلى شكله الأصلي عند إزالة الحمل.
- نظراً لفترات التسليم القصيرة وتكاليف الأدوات الاقتصادية، يُستخدم البولي يوريثان عادةً للقطع لمرة واحدة والنماذج الأولية أو أعمال الإنتاج المتكرر بكميات كبيرة.
درجة حرارة البولي يوريثان
يمكن للبولي يوريثانات أن تتحمل مجموعة واسعة من درجات الحرارة، وبذلك يمكنها الحفاظ على شكلها وخصائصها الفيزيائية الأصلية حتى في أصعب الظروف. يمكن للبولي يوريثانات الحرارية القياسية أن تتحمل درجات حرارة تتراوح بين -26 درجة مئوية و93 درجة مئوية. ومع ذلك، يمكن لبعض منتجات البولي يوريثان أن تتمتع بتحمل أعلى لدرجات حرارة تصل إلى 148 درجة مئوية. وخارج نطاق درجات الحرارة هذه، تميل البولي يوريثانات الحرارية إلى الضعف أو التدهور بمرور الوقت.
قيمة التوصيل الحراري
يشير التوصيل الحراري إلى قدرة المادة على نقل أو توصيل الحرارة. ويحدث التوصيل الحراري من خلال التذبذب الجزيئي والتلامس. تنتقل الحرارة عبر تدرج حراري من منطقة ذات حرارة عالية وطاقة جزيئية عالية إلى منطقة ذات حرارة أقل وطاقة جزيئية أقل. يُعرِّف التوصيل الحراري، المعروف أيضاً بقيمة لامبدا، سعة العزل للمنتج بناءً على مستوى نفاذية الحرارة للمادة، ويُشار إليه عادةً بالرموز k أو λ أو κ.
مقاومة انتشار بخار الماء (نفاذية بخار الماء)
معامل مقاومة انتشار بخار الماء هو نسبة نفاذية بخار الماء للهواء إلى نفاذية بخار الماء للعينة. إذا كانت درجة الحرارة معروفة، يمكن اعتبار نفاذية بخار الماء للهواء ثابتة. وتنتشر نفاذية بخار الماء من الجانب ذي الرطوبة المطلقة العالية إلى الجانب ذي الرطوبة المطلقة المنخفضة.
الاستقرار البعدي
يُظهر البولي يوريثان استقراراً بعدياً ممتازاً بسبب بنيته الحرارية الصلبة. ويختلف الاستقرار البعدي للبولي يوريثان وفقاً لبيئة الحرارة التي يوجد فيها. اعتماداً على كثافة ونوع طلاء البولي يوريثان، يمكن استخدام عزل البولي يوريثان الصلب لتطبيقات المباني على المدى الطويل في نطاق حرارة يتراوح بين -30 درجة مئوية و+90 درجة مئوية.
الخواص الميكانيكية
تتأثر الخواص الميكانيكية لرغوة البولي يوريثان بالبنية الداخلية والخارجية وشكل الخلايا وحجمها وحجم التعبئة وخصائص البوليمر المستخدم. وتتأثر الخواص الميكانيكية للبولي يوريثان بضغوط التلامس وتوزيع الإجهاد ومعدل الإجهاد-الانفعال. وفي الحالات السريعة والديناميكية، تتأثر الخواص الميكانيكية لرغاوي البولي يوريثان المضغوطة باحتكاك البنية الخلوية والهواء الموجود في الخلايا.
الخواص الميكانيكية للبولي يوريثان:
مقاومة الحريق
تتمتع البولي يوريثانات بالقدرة على تقديم مقاومة محسّنة للحريق لمصممي المنتجات من خلال تركيبات خاصة. وبفضل بنيتها الكيميائية الفريدة، يمكن للبولي يوريثانات تلبية أصعب متطلبات مقاومة اللهب. ويتميز البولي يوريثان عند تعرضه للهب بالتفحم بدلاً من الذوبان مما يحمي قلب النار. وهذا يؤدي إلى بقاء الهيكل مستقراً لفترة من الوقت. يعد تصميم المبنى مهماً جداً عندما يتعلق الأمر بالسلامة من الحرائق.
من المهم ملاحظة أن معظم الحرائق لا تنتج عن المواد المستخدمة في عزل الوحدات الصناعية أو المنازل، بل عن سوء إدارة النفايات المتراكمة فيها أو العامل البشري.
مقاومة أبخرة الأحماض والأحماض
تختلف المقاومة الكيميائية للبولي يوريثان بين تركيبات البولي يوريثان المختلفة. بشكل عام: البولي يوريثان من نوع البوليستر أكثر مقاومة للزيوت والمذيبات والأحماض/القواعد الضعيفة. والبولي يوريثان من نوع البولي إيثر أكثر مقاومة للتعرض للماء.
تتمتع البولي يوريثانات بمقاومة كيميائية أكبر مقارنة بالعديد من المعادن والمطاط والبلاستيك. وبشكل عام، تُظهر البولي يوريثانات مقاومة ضد أبخرة الأحماض والأحماض وكذلك المواد الكيميائية المسببة للتآكل الأخرى.
أين يُستخدم البولي يوريثان؟
يعد البولي يوريثان، الذي يكون في الغالب على شكل رغوة مرنة، من أكثر المواد شعبية المستخدمة في أثاث المنزل مثل الأثاث وأطقم الأسرّة وبطانات السجاد. وكمادة حشو للأثاث المنجّد، تجعل رغوة البولي يوريثان المرنة الأثاث أكثر متانة وراحة ودعماً. ويُستخدم البولي يوريثان في شكل رغوة صلبة في قطاعات مثل قطاع الحرارة والعزل وقطاع التدفئة والتبريد. بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم بكثافة في قطاع الأحذية وأنظمة المواد الرابطة المطاطية (باندر) وأنظمة البولي يوريا.
