ポリウレタン

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ポリウレタンは、カルバメート基（-NHCO2）を含む分子骨格を持つ線状ポリマーです。ウレタンと呼ばれるこれらの基は、ジイソシアネートとポリオールの間の化学反応によって生成されます。 1930年代後半に最初に開発されたポリウレタンは、最も用途の広いポリマーの一部です。それらは、建物の断熱材、表面コーティング、接着剤、固体プラスチック、および運動服に使用されます。

背景

ポリカルバメートとしても知られるポリウレタンは、ポリマーと呼ばれるより大きなクラスの化合物に属します。ポリマーは、モノマーと呼ばれる小さな繰り返し単位で構成された高分子です。一般に、それらは、結合した側基を持つ一次長鎖骨格分子で構成されています。ポリウレタンは、カルバメート基によって特徴付けられます（-NHCO ₂ ）分子骨格に。

ポリウレタンのような合成ポリマーは、反応容器内でモノマーを反応させることによって生成されます。ポリウレタンを製造するために、凝縮としても知られるステップ（反応）が実行されます。このタイプの化学反応では、存在するモノマーは反応する末端基を含みます。具体的には、ジイソシアネート（ＯＣＮ－Ｒ－ＮＣＯ）をジオール（ＨＯ－Ｒ－ＯＨ）と反応させる。この反応の最初のステップでは、2つの分子が化学的に結合し、一方の側に反応性アルコール（OH）が残り、もう一方の側に反応性イソシアネート（NCO）が残ります。これらの基は他のモノマーとさらに反応して、より大きく、より長い分子を形成します。これは、室温でも高分子量の材料を生成する迅速なプロセスです。重要な商業的用途を持つポリウレタンは、通常、エステル、エーテル、アミド、または尿素基を含む分子内の他の官能基を含みます。

歴史

ポリウレタン化学は、1937年にドイツの化学者フリードリヒバイヤーによって最初に研究されました。彼は、トルエンジイソシアネートを二価アルコールと反応させることによって初期のプロトタイプを作成しました。この研究から、最初の結晶性ポリウレタン繊維の1つであるPerlonUが開発されました。弾性ポリウレタンの開発は、第二次世界大戦中にゴムの代替品を見つけるためのプログラムとして始まりました。 1940年に、最初のポリウレタンエラストマーが製造されました。これらの化合物は、ゴムの適切な代替品として使用できる粉砕可能なガムを与えました。科学者がポリウレタンを細い糸にできることを発見したとき、それらはナイロンと組み合わされて、より軽量で伸縮性のある衣服を作りました。

1953年、米国で最初の軟質ポリウレタンフォームの商業生産が開始されました。この材料は発泡断熱材に役立ちました。 1956年に、より柔軟で安価なフォームが導入されました。 1950年代後半に、成形可能なポリウレタンが製造されました。長年にわたり、スパンデックス繊維、ポリウレタンコーティング、熱可塑性エラストマーなどの改良されたポリウレタンポリマーが開発されてきました。

原材料

ポリウレタンの製造には、さまざまな原料が使用されています。これらには、モノマー、プレポリマー、ポリマーの完全性を保護する安定剤、および着色剤が含まれます。

イソシアネート

ポリウレタンの製造に必要な主要な反応性材料の1つは、ジイソシアネートです。これらの化合物は、反応性の高いアルコールである（NCO）基を特徴としています。ポリウレタン製造で使用される最も広く使用されているイソシアネートは、トルエンジイソシアネート（TDI）と高分子イソシアネート（PMDI）です。 TDIは、トルエンに窒素基を化学的に付加し、これらを水素と反応させてジアミンを生成し、不要な異性体を分離することによって生成されます。 PMDIは、アニリン-ホルムアルデヒドポリアミンのホスゲン化反応によって生成されます。これらのイソシアネートに加えて、より高級な材料も利用できます。これらには、1,5-ナフタレンジイソシアナートやビトリレンジイソシアナートなどの材料が含まれます。これらのより高価な材料は、ポリウレタンエラストマーのより高融点でより硬いセグメントを提供することができます。

ポリオール

ポリウレタンの製造に必要な他の反応種は、ポリオールと呼ばれる複数のアルコール基（OH）を含む化合物です。この目的でよく使用される材料は、環状エーテルから形成されるポリマーであるポリエーテルポリオールです。それらは通常、アルキレンオキシド重合プロセスによって生成されます。それらは、広範囲の粘度を有する高分子量ポリマーです。使用される様々なポリエーテルポリオールには、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコール、およびポリテトラメチレングリコールが含まれる。これらの材料は、一般に、目的のポリウレタンを使用して軟質フォームまたは熱硬化性エラストマーを製造する場合に使用されます。

ポリエステルポリオールはまた、ポリウレタンの製造における反応種として使用され得る。それらはテレフタル酸生産の副産物として得ることができます。それらは通常、飽和芳香族カルボン酸とジオールに基づいています。分岐ポリエステルポリオールは、ポリウレタンフォームとコーティングに使用されます。ポリエステルポリオールは、ポリウレタンの製造に最もよく使用される反応種でした。ただし、ポリエーテルポリオールの費用は大幅に削減され、ポリエステルポリオールに取って代わりました。

添加剤

一部のポリウレタン材料は、熱、光、大気汚染物質、および塩素による損傷に対して脆弱である可能性があります。このため、ポリマーを保護するために安定剤が添加されています。光の劣化を防ぐ安定剤の1つのタイプは、ヒドロキシベンゾトリアゾールと呼ばれるUVスクリーナーです。酸化反応から保護するために、酸化防止剤が使用されます。モノマーおよびポリマーのヒンダードフェノールなど、さまざまな酸化防止剤が利用できます。大気汚染物質による変色を抑制する化合物を添加することもできます。これらは通常、大気汚染の際に窒素酸化物と相互作用する可能性のある第三級アミン官能基を持つ材料です。特定の用途では、耐ミルデュー添加剤がポリウレタン製品に添加されます。

ポリマーが形成されて反応容器から取り出された後、それらは自然に白色になります。したがって、それらの美的外観を変えるために着色剤を加えることができる。ポリウレタン繊維の一般的な共有結合化合物は分散しており、酸性染料です。

デザイン

ポリウレタンは、エラストマー、コーティング、軟質フォーム、および架橋フォームを含む4つの異なる形態で製造できます。エラストマーは伸ばすことができる材料ですが、最終的には元の形状に戻ります。それらは、強度、柔軟性、耐摩耗性、および衝撃吸収性を必要とする用途で役立ちます。熱可塑性ポリウレタンエラストマーは、さまざまな部品に成形および成形できます。これにより、自動車部品、スキーブーツ、ローラースケートホイール、ケーブルジャケット、その他の機械製品のベース材料として役立ちます。これらのエラストマーが繊維に紡がれると、スパンデックスと呼ばれる柔軟な材料が生成されます。スパンデックスは、靴下のトップス、ブラジャー、サポートホース、水着、その他の運動服の製造に使用されます。

ポリウレタンコーティングは、溶剤による劣化に対する耐性を示し、優れた耐衝撃性を備えています。これらのコーティングは、耐摩耗性、柔軟性、速硬化性、接着性、およびボウリング場やダンスフロアなどの耐薬品性を必要とする表面に使用されます。水性ポリウレタンコーティングは、航空機、自動車、その他の産業機器の塗装に使用されています。

軟質フォームはポリウレタンの最大の市場です。これらの材料は衝撃強度が高く、ほとんどの家具のクッションを作るために使用されます。それらはまたより高い価格の家具のマットレスおよび座席クッションのための材料を提供します。セミフレキシブル 硬質ポリウレタンフォーム断熱材の作成に使用される製造プロセスを示す図。ポリウレタンフォームは、車のダッシュボードやドアライナーの製造に使用されます。その他の用途には、カーペットの下敷き、包装、スポンジ、スキージ、および内部パッドが含まれます。硬質または架橋のポリウレタンフォームは、ボードまたはラミネートの形で断熱材を製造するために使用されます。ラミネートは、商業用屋根業界で広く使用されています。建物にはポリウレタンフォームがスプレーされることがよくあります。

製造プロセス

ポリウレタンポリマーはさまざまな用途に使用されていますが、その製造方法は3つの異なる段階に分けることができます。最初に、バルクポリマー製品が作られます。次に、ポリマーはさまざまな処理ステップにさらされます。最後に、ポリマーは最終製品に変換されて出荷されます。この製造プロセスは、ポリウレタンフォームの連続製造を見ることで説明できます。

ポリマー反応

• 1ポリウレタンフォームの製造開始時、反応する原材料は液体として大型のステンレス鋼タンクに保持されます。これらのタンクには、材料を流動的に保つための攪拌機が装備されています。適切な量​​の反応性物質をポンプで排出できるように、計量装置がタンクに取り付けられています。ポリオールとジイソシアネートの一般的な比率は1：2です。構成材料の比率により、特性の異なるポリマーが生成されるため、厳密に管理されています。
• 2反応する材料は、パイプにポンプで送られるときに熱交換器を通過します。熱交換器は、温度を反応レベルに調整します。パイプ内で重合反応が起こります。重合液がパイプの端に到達するまでに、ポリウレタンはすでに形成されています。パイプの一方の端には、ポリマーのディスペンスヘッドがあります。

処理

• 3ディスペンシングヘッドは処理ラインに接続されています。硬質ポリウレタンフォーム断熱材を製造するために、加工ラインの開始時にベーキングペーパーのロールが巻き取られます。この紙はコンベヤーに沿って移動し、ディスペンシングヘッドの下に運ばれます。
• 4紙が下を通過するときに、ポリウレタンが吹き付けられます。ポリマーがディスペンスされると、二酸化炭素と混合されて膨張します。コンベアに沿って移動するにつれて上昇し続けます。 （ポリウレタンのシートは、生地のように「盛り上がる」ため、パンとして知られています。）
• 5膨張反応が始まった後、紙の2番目の最上層が転がされます。さらに、サイドペーパーもプロセスに巻き込むことができます。紙の各層には、形を与えるポリウレタンフォームが含まれています。硬質フォームは、フォームバンの幅と高さを制御する一連のパネルを通過します。それらが生産ラインのこのセクションを通過するとき、それらは通常乾燥されます。
• 6生産ラインの最後で、発泡断熱材を自動のこぎりで希望の長さに切断します。次に、フォームバンは、梱包、積み重ね、および出荷を含む最終処理ステップに運ばれます。

品質管理

ポリウレタン素材の品質を確保するために、生産者は生産のすべての段階で製品を監視しています。これらの検査は、品質管理化学者による入荷する原材料の評価から始まります。彼らは確立された方法を使用してさまざまな化学的および物理的特性をテストします。テストされる特性には、pH、比重、粘度または厚さが含まれます。さらに、外観、色、および臭いも調べることができます。製造業者は、生産開始時に品質を厳密に管理することによってのみ、一貫した完成品を確実に達成できることを発見しました。

製造後、ポリウレタン製品がテストされます。ポリウレタンコーティング製品は、最初の原材料をチェックするのと同じ方法で評価されます。また、乾燥時間、膜厚、硬度などの特性がテストされます。ポリウレタン繊維は、弾力性、弾力性、吸収性などについてテストされています。ポリウレタンフォームは、適切な密度、抵抗、および柔軟性があることを確認するためにチェックされます。

未来

ポリウレタンの品質は、最初に開発されて以来着実に向上しています。さまざまな分野での研究は、優れた材料を作るのに役立つはずです。たとえば、科学者は、出発プレポリマーを変更することにより、さらに優れた伸縮特性を持つポリウレタン繊維を開発できることを発見しました。他の特性は、さまざまなフィラーを組み込み、より優れた触媒を使用し、プレポリマー比を変更することで変更できます。

ポリマー自体に加えて、将来的には製造プロセスが改善され、より速く、より安価で、より環境に優しいポリウレタンがもたらされる可能性があります。ポリウレタン製造の最近の傾向は、トルエンジイソシアネートを揮発性の低い高分子イソシアネートに置き換えることです。また、製造業者は、ポリウレタンフォームの製造によく使用される塩素化フルオロカーボン発泡剤を排除しようとしています。