Universalitatea utilizării poliuretanilor. spume și adezivi poliuretanici

1.Noţiuni introductive

Numele de poliuretan acoperă o extrem de diversificată şi de eterogenă familie de polimeri pe bază de legături de uretan, cu o gamă largă de proprietăţi şi întrebuinţări. Toţi polimerii au la bază produsul reacţiei dintre izocianaţi organici şi compuşi conţinând grupuri cu hidrogen activ (exemplu polioli). Reacţia - denumită poliadiţie - poate avea drept rezultat diferite materiale plastice: spume moi sau dure, flexibile sau rigide, materiale termorigide sau termoplaste.

Dezvoltaţi la sfârşitul anilor 1930 de către chimistul german Otto Bayer, la început pentru utilizări militare, poliuretanii au cucerit lumea. Datorită diverselor proprietăţi, numărul aplicaţiilor lor este aproape infinit, începând de la dispozitive pentru urechi, tălpi de pantof, tapiţerie, straturi-suport pentru mochetă, saltele (spumă flexibilă) şi terminând cu tablouri de bord şi amortizoare pentru autoturisme, pontoane pentru ambarcaţiuni, materiale izolatoare în construcţii şi sisteme de refrigerare (spume rigide). Răşinile poliuretanice sunt utilizate ca şi materiale pentru acoperire, întrucât asigură o duritate excelentă, luciu şi rezistenţă la intemperii şi la abraziune.

Poliuretanii joacă un rol major în industria modernă a construcţiilor. Ei au revoluţionat întreaga tehnologie a sectoarelor conexe, întrucât permit formularea unor materiale de construcţii şi produse chimice complet noi.

O mare cantitate de deşeuri generate în întreaga lume ca urmare a creşterii consumului de hârtie, datorită globalizării, creşterii populaţiei şi al nivelului de trai al oamenilor, în special în ţările în curs de dezvoltare şi în viitorul apropiat, tinde să crească din ce în ce mai mult. Cantităţile mari de deşeuri celulozice generate sub formă de produse din hârtie ca de exemplu: pungile pentru depozitare, reviste şi ambalaje, prezintă dificultăţi mari în a fi eliminate deoarece provoacă daune asupra mediului şi, în consecinţă, au fost studiate diferite moduri de reciclare a deşeurilor. Cercetările privind deşeurile de hârtie sunt necesare, ele avand la bază un studiu privind generarea de deşeuri de hârtie în diferite colţuri ale lumii; consumul de hârtie per capita este de 3 kg în India iar în Japonia şi SUA este de 234 kg, respectiv 294 kg. Însă cum India este cea de-a doua ţară ca număr de locuitori din lume, suma totală a deşeurilor este foarte mare.

Cum resursele de petrol (petroliere) devin tot mai rare şi costisitoare în privinţa expluatării, cercetătorii au căutat diferite resurse şi tehnologii pentru a produce polimeri şi de aceea unele cerecetări includ sinteza polimerii poliuretanici (PU).

Poliuretanii (PU) au câştigat o atenţie considerabilă, datorită calităţilor lor superioare având o rezistenţă fizică excelentă dar şi o rezistenţă chimică foarte bună, însă producţia de polioli din combustibili fosili şi faptul că aceştia nu sunt biodegradabili rămâne în continuare o problemă. Sinteza poliuretanilor se bazează pe reacţia dintre izocianaţi şi compuşi conţinând grupări hidroxid active, ca de exemplu poliolii. Precursorii poliolilor obţinuţi din resurse regenerabile au generat un mare interes în rândul cercetătorilor. Acordându-se o importanţă crescută resurselor regenerabile, s-a pus accentul pe poliolii obţinuti din deşeuri agricole, rumeguş şi din uleiul de rapiţă. Cercetătorii sunt din ce în ce mai interesaţi să utilizeze resursele naturale în special uleiurile trigliceridelor ca o alternativă pentru a înlocui monomerii pe bază de petrol. Se acordă un important interes pentru uleiul de ricin, deoarece cercetătorii sunt captaţi de costurile scăzute pentru obţinerea acestuia, dar şi de puritatea lui în comparaţie cu polioli produşi din grăsimi vegetale şi animale, acesta atragând atenţia în ultimii ani. Cardanolul, obţinut ca un subprodus al industriei prelucrării mahonului, reprezintă de asemenea o resursă valoroasă şi economică în dezvoltarea poliuretanului. Fără îndoială, utilizările resurselor naturale au reprezentat o sursă de bază pentru a produce precursori ai poliuretanilor.

În 1968, Goodyear a introdus primul adeziv structural pentru material plastic ranforsat cu fibră de sticlă (PAS), care a fost utilizat în realizarea hotelor camioanelor. De momentul în care adezivii din plurietan au obţinut o mare importanţă, aceştia au fost utilizaţi pentru a întări numeroase substraturi, inclusiv sticla, lemnul şi plasticul. Adezivii din plurietan se comportă excelent având proprietăţi specifice adezivilor cum ar fi: rezistenţă la caldură, rezistenţă chimică atât la acţiunea substanţelor acide sau alcaline. Utilizarea resurselor naturale şi regenerabile pentru obţinerea adezivilor PU oferă câteva avantaje faţă de utilizarea uleiul PU obţinut din petrol, studiile demonstrănd faptul că influenţa asupra mediului este mai mică şi că adezivii bio proveniţi din lemn au obţinut mai multă importanţă iar sinteza adezivilor din lemn are la bază modificarea chimică a proteinei din soia; în plus, lignina din procesul Kraft şi coaja bobului de cafea au fost incluse în acest studiu ca fiind resurse naturale importante pentru obţinerea adezivilor din lemn. Din aceste motive, cercetarea polimerului a fost concentrată pe utilizarea domeniului agricol şi pe utilizarea deşeurilor rezultate în urma consumului casnic, reducând astfel poluarea şi favorizând procesele de ecologizare.

Deşeul din hârtie reprezintă o sursă bogată în celuloză şi poate fi decolorat prin procese mecanice şi chimice. Studiul de faţă se ocupă cu fezabilitatea utilizării deşeurilor celulozice şi uleiurilor vegetale pentru a obţine polioli care la rândul lor au fost utilizaţi ca bază pentru adezivii poliuretanici care au cost de obţinere redus din punct de vedere economic şi valoroşi din punct de vedere al importanţei.

Spumele poliuretanice flexibile, produse din poli-condensări de polioli cu izocianat, sunt formate din celule deschise şi au permeabilitate mare pentru gaze, densitate scăzută şi rezistenţă mecanică limitată. Datorită deformărilor lor reversibile, printre alte aspecte pozitive, spumele poliuretanice flexibile sunt folosite pe scară largă şi au multe aplicaţii comerciale (de exemplu: saltele, tampoane de automobile şi de mobilier, produse de curăţare). Structura de reţea a unei spume poliuretanice este complicată datorită polimerilor cu funcţionalitate dublă şi a segmentelor rigide de uree. Cele două clase principale de polioli pentru obţinerea spumei poliuretanice sunt poliesterolii şi polietherolii, aceasta din urmă fiind în prezent clasa responsabilă pentru 80-90% din producţia de spume poliuretanice. Utilizarea de materii prime tradiţionale pentru producţia de spume poliuretanice împlică un consum ridicat al derivaţilor de ulei neregenerabil. O parte a acestor derivaţi ar putea fi înlocuită de umplutură, atât timp cât caracteristicile dorite ale spumelor rămân aceleaşi sau sunt accentuate, şi ar putea fi folosite pentru a obţine un set combinat de proprietăţi fizice pentru spume.

Producţia spumelor întărite cu fibre sau particule poate duce la o creştere a proprietăţilor mecanice a matricei polimerilor, sporind capacitatea de absorbţie a energiei. O varietate de particule sau umpluturi fibroase pentru reducerea costurilor sau îmbunătăţirea proprietăţilor mecanice, printre alte avantaje urmărite, au fost raportate în literatura de specialitate, următoarele: dioxid de siliciu, fibre de sticlă, hidroxid de aluminiu sau amidon Ca3(PO4)2 , CaCO3 , CaSO4 şi chiar umpluturi nanostructurale cum ar fi nanotuburile de carbon şi nanoclay. Granulometria, starea de suprafaţă, de dispersie şi tipul de umplere şi cantitatea sunt parametrii critici pentru a defini structura spumei şi proprietăţi mecanice. Înlocuirea răşinii noi obţinute cu cea reciclată este o tendinţă ce se extinde la nivel mondial, susţinută de fluctuaţia preţurilor uleiurilor şi de competitivitatea pieţei de reciclare. Poli (etilenă), PET, din cauza excelentei rezistenţe mecanice, este foarte des folosită ca material de ambalare şi, în consecinţă, este cel mai abundent material plastic ce formează deşeuri solide urbane. În scopul de a minimiza problema creată asupra mediului de influenţa deşeurilor de plastic nebiodegradabile, reutilizarea PET-urilor a fost încorporată în diferite materiale ca fibre şi particule. De exemplu, particulele solide de PET, au fost folosite parţial sau total ca substituenţi (înlocuitori) ai nisipului în compoziţiile de beton.