Základní chemické reakce polyuretanové pěny
Polyuretan je někdy označován jako PU, což je zkratka polyuretanu. Jak název napovídá, je pojmenován po uretanu vytvořeném reakcí isokyanátu a hydroxylové sloučeniny jako jeho charakteristického řetězového článku. Ve skutečnosti však existuje mnoho chemických reakcí, které se podílejí na polyuretanu, zejména polyuretanové pěně, a není mnoho hlavních reakcí, které jsou skutečně vlivné. Většina chemických reakcí polyuretanu souvisí s chemickými vlastnostmi isokyanátového NCO v isokyanátech. NCO může nejen reagovat s hydroxylovými sloučeninami za vzniku karbamátů, ale také reagovat s jinými sloučeninami "aktivního vodíku" za vzniku různých chemických vazeb. Tím se mění struktura chemické vazby a materiálové vlastnosti polyuretanu.
Aktivní skupinou isokyanátu je isokyanát NCO. Elektronická struktura NCO ukazuje, že má silný rezonanční efekt. Obvyklou reakcí je především adiční reakce dvojné vazby uhlík-dusík. Sloučeniny s aktivním vodíkem nejprve napadají atom dusíku NCO a další atomy spojené s aktivním vodíkem se přidávají k atomu uhlíku isokyanátové karbonylové skupiny. Aktivní sloučenina vodíku se týká sloučeniny, která může nahradit atom vodíku kovovým sodíkem, včetně alkoholů obsahujících hydroxyl, amino-obsahujících aminy, vody a podobně.
Hlavní reakce polyuretanu lze rozdělit na polymerační reakci, pěnivou reakci a zesíťovací reakci podle jejich funkcí.
1. Polymerace
To je (1) reakce isokyanátu a hydroxylu
NCO isokyanátu reaguje s hydroxyl oh alkoholu (obvykle polyetheru, polyesteru nebo jiného polyolu) za vzniku polyuretanu.
2. Pěnivá reakce
reakce isokyanátu a vody
NCO isokyanátu reaguje s vodou za vzniku nestabilní kyseliny karbamové, která se pak rozkládá na amin a oxid uhličitý.
3. Reakce na zesíťování
Včetně (3) alofanátové reakce a (4) biuretové reakce
Vodík na atomu dusíku uretanové skupiny reaguje s NCO isokyanátu za vzniku alofanátu. Vodík na atomu dusíku skupiny močoviny v dimočovině reaguje s isokyanátovou skupinou isokyanátu za vzniku biuretu.
Výše uvedené dvě reakce (3) a (4) jsou obě zesíťované reakce. Obecně řečeno, reakční rychlost je relativně pomalá. Při absenci katalyzátoru by měla být reakce provedena při teplotě 110-130 °C. Čím vyšší je teplota, tím rychlejší je reakční rychlost. Navíc, protože alofanátové a biuretové linkery nejsou příliš stabilní, to znamená, že (3) a (4) jsou reverzibilní reakce.
Stručně řečeno, existují tři typy základních reakcí PU: reakce (1) je řetězová explogační reakce nebo polymerační reakce, reakce (2) je reakce na generování plynu nebo pěnivá reakce a reakce (3) a (4) jsou zesíťovací reakce.
V procesu pěnění PU se tyto reakce provádějí současně při relativně vysoké rychlosti a většina reakcí může být dokončena během několika minut za podmínek katalyzátoru. Nakonec se vytvoří polyuretanová pěna s vysokou molekulovou hmotností a určitým stupněm zesíťování.
Polymerační reakce a zesíťovací reakce jsou hlavními reakcemi při tvorbě kostry polyuretanové pěny, která může být souhrnně označována jako gelová reakce; zatímco pěnivá reakce je hlavní reakcí pro zvýšení objemu polyuretanu a tvorbu zdroje plynu duté pěnové struktury.
Vývoj a úprava všech formulací polyuretanové pěny, včetně mnoha praktických problémů při výrobě pěny, jsou neoddělitelné od rovnováhy gelové reakce a pěnové reakce.
