Podstawowe reakcje chemiczne pianki poliuretanowej
Poliuretan jest czasami określany jako PU, co jest skrótem od poliuretanu. Jak sama nazwa wskazuje, jego nazwa pochodzi od uretanu powstałego w reakcji izocyjanianu i związku hydroksylowego jako charakterystycznego ogniwa łańcucha. Ale w rzeczywistości istnieje wiele reakcji chemicznych związanych z poliuretanem, zwłaszcza pianką poliuretanową, i nie ma wielu głównych reakcji, które mają naprawdę duży wpływ. Większość reakcji chemicznych poliuretanu jest związana z właściwościami chemicznymi izocyjanianu NCO w izocyjanianach. NCO może nie tylko reagować ze związkami hydroksylowymi, tworząc karbaminiany, ale także reagować z innymi związkami „aktywnego wodoru”, tworząc różne wiązania chemiczne. Zmieniając w ten sposób strukturę wiązania chemicznego i właściwości materiałowe poliuretanu.
Aktywną grupą izocyjanianów jest izocyjanian NCO. Struktura elektronowa NCO pokazuje, że ma silny efekt rezonansowy. Zwykła reakcja to głównie reakcja addycji podwójnego wiązania węgiel-azot. Związki z aktywnym wodorem najpierw atakują atom azotu NCO, a inne atomy połączone z aktywnym wodorem są dodawane do atomu węgla grupy karbonylowej izocyjanianu. Związek z aktywnym wodorem odnosi się do związku, który może zastąpić atom wodoru przez metaliczny sód, obejmujący głównie alkohole zawierające grupy hydroksylowe, aminy zawierające grupy aminowe, wodę i tym podobne.
Główne reakcje poliuretanu można podzielić na reakcję polimeryzacji, reakcję spieniania i reakcję sieciowania w zależności od ich funkcji.
1. Polimeryzacja
To jest (1) reakcja izocyjanianu i hydroksylu
NCO izocyjanianu reaguje z hydroksylem OH alkoholu (zwykle polieterem, poliestrem lub innym poliolem), tworząc poliuretan.
2. Reakcja pienienia
reakcja izocyjanianu i wody
NCO izocyjanianu reaguje z wodą, tworząc najpierw niestabilny kwas karbaminowy, który następnie rozkłada się na aminę i dwutlenek węgla.
3. Reakcja sieciowania
W tym (3) reakcja allofanianowa i (4) reakcja biuretowa
Wodór na atomie azotu grupy uretanowej reaguje z NCO izocyjanianu tworząc allofanian. Wodór na atomie azotu grupy mocznikowej w dimoczniku reaguje z grupą izocyjanianową izocyjanianu tworząc biuret.
Powyższe dwie reakcje (3) i (4) są reakcjami sieciowania. Ogólnie rzecz biorąc, szybkość reakcji jest stosunkowo niska. W przypadku braku katalizatora reakcję należy prowadzić w stopniu 110-130. Im wyższa temperatura, tym większa szybkość reakcji. Ponadto, ponieważ łączniki allofanianowe i biuretowe nie są bardzo trwałe, to znaczy (3) i (4) są reakcjami odwracalnymi.
Podsumowując, istnieją trzy typy podstawowych reakcji PU: reakcja (1) jest reakcją wydłużania łańcucha lub reakcją polimeryzacji, reakcja (2) jest reakcją generowania gazu lub reakcją spieniania, a reakcje (3) i (4) są reakcje sieciowania.
W procesie spieniania PU reakcje te są prowadzone jednocześnie ze stosunkowo dużą szybkością, a większość reakcji można zakończyć w ciągu kilku minut w warunkach katalizatora. Na koniec powstaje pianka poliuretanowa o dużej masie cząsteczkowej i pewnym stopniu usieciowania.
Reakcja polimeryzacji i reakcja sieciowania są głównymi reakcjami tworzenia szkieletu pianki poliuretanowej, które można łącznie nazwać reakcją żelowania; natomiast reakcja spieniania jest główną reakcją zwiększania objętości poliuretanu i tworzenia źródła gazu o strukturze pustej pianki.
Rozwój i dostosowanie wszystkich receptur pianek poliuretanowych, w tym wiele praktycznych problemów w produkcji pianek, są nierozerwalnie związane z równowagą reakcji żelowania i reakcji spieniania.
