폴리우레탄

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폴리우레탄은 카바메이트 그룹(-NHCO2)을 포함하는 분자 골격을 가진 선형 폴리머입니다. 우레탄이라고 하는 이 그룹은 디이소시아네이트와 폴리올 사이의 화학 반응을 통해 생성됩니다. 1930년대 후반에 처음 개발된 폴리우레탄은 가장 다재다능한 폴리머 중 하나입니다. 그들은 건물 단열재, 표면 코팅, 접착제, 고체 플라스틱 및 운동복에 사용됩니다.

배경

폴리카바메이트라고도 하는 폴리우레탄은 폴리머라고 하는 더 큰 종류의 화합물에 속합니다. 폴리머는 모노머로 알려진 더 작은 반복 단위로 구성된 거대 분자입니다. 일반적으로, 이들은 부착된 측기가 있는 1차 장쇄 백본 분자로 구성됩니다. 폴리우레탄은 카바메이트 그룹(-NHCO ₂ ) 그들의 분자 백본에서.

폴리우레탄과 같은 합성 고분자는 반응 용기에서 단량체를 반응시켜 생성됩니다. 폴리우레탄을 생산하기 위해 축합 반응이라고도 하는 단계가 수행됩니다. 이러한 유형의 화학 반응에서 존재하는 단량체는 반응 말단기를 포함합니다. 구체적으로, 디이소시아네이트(OCN-R-NCO)는 디올(HO-R-OH)과 반응한다. 이 반응의 첫 번째 단계는 두 분자의 화학적 연결로 인해 한쪽에는 반응성 알코올(OH)이, 다른 한쪽에는 반응성 이소시아네이트(NCO)가 남습니다. 이 기는 다른 단량체와 더 반응하여 더 크고 더 긴 분자를 형성합니다. 이것은 실온에서도 고분자량 물질을 생성하는 신속한 공정입니다. 상업적으로 중요한 용도가 있는 폴리우레탄은 일반적으로 에스테르, 에테르, 아미드 또는 요소기를 포함하여 분자에 다른 작용기를 포함합니다.

연혁

폴리우레탄 화학은 1937년 독일 화학자 프리드리히 바이엘에 의해 처음 연구되었습니다. 그는 톨루엔 디이소시아네이트를 2가 알코올과 반응시켜 초기 프로토타입을 생산했습니다. 이 작업에서 최초의 결정질 폴리우레탄 섬유 중 하나인 Perlon U가 개발되었습니다. 탄성 폴리우레탄의 개발은 2차 세계대전 당시 고무의 대체품을 찾기 위한 프로그램으로 시작되었습니다. 1940년, 최초의 폴리우레탄 엘라스토머가 생산되었습니다. 이러한 화합물은 고무에 대한 적절한 대안으로 사용될 수 있는 밀링 가능한 고무를 제공했습니다. 과학자들이 폴리우레탄을 가는 실로 만들 수 있다는 것을 발견했을 때 나일론과 결합하여 더 가볍고 신축성 있는 옷을 만들 수 있었습니다.

1953년에 미국에서 연질 폴리우레탄 폼의 첫 상업 생산이 시작되었습니다. 이 재료는 발포 단열재에 유용했습니다. 1956년에는 더 유연하고 저렴한 폼이 도입되었습니다. 1950년대 후반에 성형 가능한 폴리우레탄이 생산되었습니다. 수년에 걸쳐 스판덱스 섬유, 폴리우레탄 코팅 및 열가소성 엘라스토머를 비롯한 개선된 폴리우레탄 폴리머가 개발되었습니다.

원자재

다양한 원료가 폴리우레탄을 생산하는 데 사용됩니다. 여기에는 단량체, 예비 중합체, 중합체의 무결성을 보호하는 안정제 및 착색제가 포함됩니다.

이소시아네이트

폴리우레탄을 생산하는 데 필요한 주요 반응성 물질 중 하나는 디이소시아네이트입니다. 이러한 화합물은 반응성이 높은 알코올인 (NCO) 그룹이 특징입니다. 폴리우레탄 생산에 사용되는 가장 널리 사용되는 이소시아네이트는 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)와 고분자 이소시아네이트(PMDI)입니다. TDI는 톨루엔에 질소 그룹을 화학적으로 추가하고 수소와 반응하여 디아민을 생성하고 원하지 않는 이성질체를 분리하여 생성됩니다. PMDI는 아닐린-포름알데히드 폴리아민의 포스겐화 반응에 의해 유도됩니다. 이러한 이소시아네이트 외에도 고급 재료도 사용할 수 있습니다. 여기에는 1,5-나프탈렌 디이소시아네이트 및 비톨릴렌 디이소시아네이트와 같은 물질이 포함됩니다. 이러한 더 비싼 재료는 폴리우레탄 엘라스토머에서 더 높은 용융, 더 단단한 세그먼트를 제공할 수 있습니다.

폴리올

폴리우레탄을 생산하는 데 필요한 다른 반응 종은 폴리올이라고 하는 다중 알코올 그룹(OH)을 포함하는 화합물입니다. 이러한 목적으로 자주 사용되는 재료는 고리형 에테르로부터 형성된 중합체인 폴리에테르 폴리올입니다. 이들은 일반적으로 알킬렌 옥사이드 중합 공정을 통해 생산됩니다. 그들은 점도 범위가 넓은 고분자량 폴리머입니다. 사용되는 다양한 폴리에테르 폴리올은 폴리에틸렌 글리콜, 폴리프로필렌 글리콜 및 폴리테트라메틸렌 글리콜을 포함한다. 이러한 재료는 일반적으로 원하는 폴리우레탄을 사용하여 유연한 발포체 또는 열경화성 엘라스토머를 만들 때 사용됩니다.

폴리에스테르 폴리올은 또한 폴리우레탄 생산에서 반응 종으로 사용될 수 있습니다. 그들은 테레프탈산 생산의 부산물로 얻을 수 있습니다. 이들은 일반적으로 포화 방향족 카르복실산 및 디올을 기반으로 합니다. 분지형 폴리에스터 폴리올은 폴리우레탄 폼 및 코팅에 사용됩니다. 폴리에스터 폴리올은 폴리우레탄 생산에 가장 많이 사용되는 반응 종이었습니다. 그러나 폴리에테르 폴리올은 비용이 훨씬 적게 들고 폴리에스테르 폴리올을 대체했습니다.

첨가제

일부 폴리우레탄 소재는 열, 빛, 대기 오염 물질 및 염소로 인한 손상에 취약할 수 있습니다. 이러한 이유로 폴리머를 보호하기 위해 안정제가 첨가됩니다. 광 분해를 방지하는 안정제의 한 유형은 히드록시벤조트리아졸이라고 하는 UV 차단제입니다. 산화 반응으로부터 보호하기 위해 항산화제가 사용됩니다. 단량체 및 중합체 장애 페놀과 같은 다양한 항산화제를 사용할 수 있습니다. 대기 오염 물질로 인한 변색을 억제하는 화합물도 추가될 수 있습니다. 이들은 일반적으로 대기 오염에서 질소 산화물과 상호 작용할 수 있는 3차 아민 기능을 가진 물질입니다. 특정 용도의 경우 폴리우레탄 제품에 곰팡이 방지 첨가제가 추가됩니다.

중합체가 형성되고 반응 용기에서 제거된 후에는 자연적으로 흰색이 됩니다. 따라서 착색제를 첨가하여 미적 외관을 변경할 수 있습니다. 폴리우레탄 섬유에 대한 일반적인 공유 화합물은 분산 및 산성 염료입니다.

디자인

폴리우레탄은 엘라스토머, 코팅, 연질 발포체, 가교 발포체 등 4가지 다른 형태로 생산할 수 있습니다. 엘라스토머는 늘어날 수 있지만 결국 원래 모양으로 돌아오는 재료입니다. 강도, 유연성, 내마모성 및 충격 흡수 특성이 필요한 응용 분야에 유용합니다. 열가소성 폴리우레탄 엘라스토머는 다양한 부품으로 성형 및 성형할 수 있습니다. 이는 자동차 부품, 스키 부츠, 롤러 스케이트 휠, 케이블 재킷 및 기타 기계 제품의 기본 재료로 유용합니다. 이러한 엘라스토머를 섬유로 회전시키면 스판덱스라고 하는 유연한 재료가 생성됩니다. 스판덱스는 양말 상의, 브래지어, 지지 호스, 수영복 및 기타 운동복을 만드는 데 사용됩니다.

폴리우레탄 코팅은 용제 분해에 대한 저항성을 나타내며 내충격성이 우수합니다. 이러한 코팅은 볼링장 및 댄스 플로어와 같이 내마모성, 유연성, 빠른 경화, 접착 및 내화학성이 요구되는 표면에 사용됩니다. 수성 폴리우레탄 코팅은 항공기, 자동차 및 기타 산업 장비의 도장에 사용됩니다.

연질 폼은 폴리우레탄의 가장 큰 시장입니다. 이러한 재료는 충격 강도가 높아 대부분의 가구 완충재로 사용됩니다. 또한 고가 가구의 매트리스 및 시트 쿠션 소재를 제공합니다. 반유연성 경질 폴리우레탄 폼 단열재를 만드는 데 사용되는 제조 공정을 나타내는 다이어그램. 폴리우레탄 폼은 자동차 대시보드 및 도어 라이너를 만드는 데 사용됩니다. 다른 용도로는 카펫 밑받침, 포장재, 스폰지, 스퀴지 및 내부 패딩이 있습니다. 경질 또는 가교 폴리우레탄 폼은 보드 또는 라미네이트 형태의 단열재를 생산하는 데 사용됩니다. 라미네이트는 상업용 지붕 산업에서 광범위하게 사용됩니다. 건물에는 종종 폴리우레탄 폼이 분무됩니다.

제조 공정

폴리우레탄 폴리머는 광범위한 응용 분야에 사용되지만, 이들의 생산 방법은 3가지 별개의 단계로 나눌 수 있습니다. 먼저 벌크 폴리머 제품이 만들어집니다. 다음으로 폴리머는 다양한 가공 단계에 노출됩니다. 마지막으로 폴리머는 최종 제품으로 변형되어 배송됩니다. 이 생산 과정은 폴리우레탄 폼의 연속 생산을 보면 설명할 수 있습니다.

고분자 반응

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1 폴리우레탄 폼 생산이 시작될 때 반응하는 원료는 대형 스테인리스 스틸 탱크에 액체로 보관됩니다. 이 탱크에는 재료를 유동적으로 유지하기 위한 교반기가 장착되어 있습니다. 반응 물질의 적절한 양을 펌핑할 수 있도록 계량 장치가 탱크에 부착되어 있습니다. 폴리올 대 디이소시아네이트의 일반적인 비율은 1:2입니다. 구성 재료의 비율은 다양한 특성을 가진 폴리머를 생성하므로 엄격하게 제어됩니다.

2 반응 물질은 파이프로 펌핑될 때 열교환기를 통과합니다. 교환기는 온도를 반응 수준으로 조정합니다. 파이프 내부에서 중합 반응이 발생합니다. 중합 액체가 파이프 끝에 도달할 때까지는 폴리우레탄이 이미 형성되어 있습니다. 파이프의 한쪽 끝에는 폴리머용 디스펜싱 헤드가 있습니다.

처리

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3 디스펜싱 헤드는 처리 라인에 연결됩니다. 경질 폴리우레탄 폼 단열재의 생산을 위해 베이킹 페이퍼 롤이 공정 라인의 시작 부분에 감겨 있습니다. 이 용지는 컨베이어를 따라 이동하여 디스펜스 헤드 아래로 가져옵니다.

4 종이가 아래로 지나가면서 폴리우레탄이 그 위에 불어옵니다. 폴리머가 분배됨에 따라 이산화탄소와 혼합되어 팽창합니다. 컨베이어를 따라 이동하면서 계속 상승합니다. (폴리우레탄 시트는 반죽처럼 "상승"하기 때문에 롤빵으로 알려져 있습니다.)

5 팽창 반응이 시작된 후 두 번째 상단 층이 롤링됩니다. 추가로, 사이드 페이퍼는 또한 프로세스에 롤링될 수 있습니다. 종이의 각 층에는 형태를 부여하는 폴리우레탄 폼이 포함되어 있습니다. 경질 폼은 폼 롤빵의 너비와 높이를 제어하는 ​​일련의 패널을 통과합니다. 생산 라인의 이 섹션을 통과할 때 일반적으로 건조됩니다.

6 생산 라인의 끝에서 폼 단열재는 자동 톱으로 원하는 길이로 절단됩니다. 그런 다음 폼 롤빵은 포장, 쌓기 및 배송을 포함하는 최종 처리 단계로 컨베이어됩니다.

품질 관리

폴리우레탄 소재의 품질을 보장하기 위해 생산자는 생산의 모든 단계에서 제품을 모니터링합니다. 이러한 검사는 품질 관리 화학자가 들어오는 원자재를 평가하는 것으로 시작됩니다. 그들은 확립된 방법을 사용하여 다양한 화학적 및 물리적 특성을 테스트합니다. 테스트되는 특성 중 일부에는 pH, 비중, 점도 또는 두께가 포함됩니다. 또한 외관, 색상 및 냄새도 검사할 수 있습니다. 제조업체는 생산 시작 시 품질을 엄격하게 관리해야만 일관된 완제품을 얻을 수 있다는 것을 알게 되었습니다.

생산 후 폴리우레탄 제품을 테스트합니다. 폴리우레탄 도료 제품은 초기 원료를 확인하는 것과 같은 방식으로 평가됩니다. 또한 건조 시간, 필름 두께 및 경도와 같은 특성을 테스트합니다. 폴리우레탄 섬유는 탄성, 탄력성 및 흡수성과 같은 항목에 대해 테스트됩니다. 폴리우레탄 폼은 밀도, 저항 및 유연성이 적절한지 확인합니다.

미래

폴리우레탄의 품질은 처음 개발된 이후 꾸준히 향상되었습니다. 다양한 분야의 연구가 계속해서 우수한 재료를 만드는 데 도움이 되어야 합니다. 예를 들어, 과학자들은 출발 예비 중합체를 변경함으로써 훨씬 더 우수한 신축성을 갖는 폴리우레탄 섬유를 개발할 수 있음을 발견했습니다. 다른 특성은 다른 충전제를 통합하고, 더 나은 촉매를 사용하고, 예비 중합체 비율을 수정하여 수정할 수 있습니다.

폴리머 자체 외에도 미래에는 생산 공정이 개선되어 더 빠르고 저렴하며 환경 친화적인 폴리우레탄이 만들어질 것입니다. 폴리우레탄 생산의 최근 경향은 톨루엔 디이소시아네이트를 덜 휘발성인 고분자 이소시아네이트로 대체하는 것입니다. 또한 제조업체는 폴리우레탄 폼 생산에 자주 사용되는 염소화 플루오로카본 발포제를 제거하기 위해 노력했습니다.