Poliuretan

Poliuretan adalah polimer linier yang memiliki tulang punggung molekul yang mengandung gugus karbamat (-NHCO2). Gugus-gugus ini, yang disebut uretan, diproduksi melalui reaksi kimia antara diisosianat dan poliol. Pertama kali dikembangkan pada akhir 1930-an, poliuretan adalah beberapa polimer yang paling serbaguna. Mereka digunakan dalam insulasi bangunan, pelapis permukaan, perekat, plastik padat, dan pakaian atletik.

Latar Belakang

Poliuretan, juga dikenal sebagai polikarbamat, termasuk dalam kelas senyawa yang lebih besar yang disebut polimer. Polimer adalah makromolekul yang terdiri dari unit berulang yang lebih kecil yang dikenal sebagai monomer. Umumnya, mereka terdiri dari molekul tulang punggung rantai panjang primer dengan kelompok samping yang melekat. Poliuretan dicirikan oleh gugus karbamat (-NHCO ₂ ) di tulang punggung molekul mereka.

Polimer sintetis, seperti poliuretan, diproduksi dengan mereaksikan monomer dalam bejana reaksi. Untuk menghasilkan poliuretan, langkah—juga dikenal sebagai kondensasi—reaksi dilakukan. Dalam jenis reaksi kimia ini, monomer yang ada mengandung gugus akhir yang bereaksi. Secara khusus, diisosianat (OCN-R-NCO) direaksikan dengan diol (HO-R-OH). Langkah pertama dari reaksi ini menghasilkan ikatan kimia dari dua molekul meninggalkan alkohol reaktif (OH) di satu sisi dan isosianat reaktif (NCO) di sisi lain. Gugus-gugus ini bereaksi lebih lanjut dengan monomer lain untuk membentuk molekul yang lebih besar dan lebih panjang. Ini adalah proses cepat yang menghasilkan bahan dengan berat molekul tinggi bahkan pada suhu kamar. Poliuretan yang memiliki kegunaan komersial yang penting biasanya mengandung kelompok fungsional lain dalam molekul termasuk ester, eter, amida, atau kelompok urea.

Sejarah

Kimia poliuretan pertama kali dipelajari oleh ahli kimia Jerman, Friedrich Bayer pada tahun 1937. Dia menghasilkan prototipe awal dengan mereaksikan toluena diisosianat yang direaksikan dengan alkohol dihidrat. Dari pekerjaan ini salah satu serat poliuretan kristal pertama, Perlon U, dikembangkan. Pengembangan poliuretan elastis dimulai sebagai program untuk mencari pengganti karet selama hari-hari Perang Dunia II. Pada tahun 1940, elastomer poliuretan pertama diproduksi. Senyawa ini memberikan getah yang dapat digiling yang dapat digunakan sebagai alternatif yang memadai untuk karet. Ketika para ilmuwan menemukan bahwa poliuretan dapat dibuat menjadi benang halus, mereka digabungkan dengan nilon untuk membuat pakaian yang lebih ringan dan dapat diregangkan.

Pada tahun 1953, produksi komersial pertama dari busa poliuretan fleksibel dimulai di Amerika Serikat. Bahan ini berguna untuk insulasi busa. Pada tahun 1956, busa yang lebih fleksibel dan lebih murah diperkenalkan. Selama akhir 1950-an, poliuretan yang dapat dicetak diproduksi. Selama bertahun-tahun, polimer poliuretan yang ditingkatkan telah dikembangkan termasuk serat Spandex, pelapis poliuretan, dan elastomer termoplastik.

Bahan Baku

Berbagai bahan baku digunakan untuk memproduksi poliuretan. Ini termasuk monomer, prapolimer, stabilisator yang melindungi integritas polimer, dan pewarna.

Isosianat

Salah satu bahan reaktif utama yang dibutuhkan untuk memproduksi poliuretan adalah diisosianat. Senyawa ini dicirikan oleh gugus (NCO), yang merupakan alkohol yang sangat reaktif. Isosianat yang paling banyak digunakan dalam produksi poliuretan adalah toluena diisosianat (TDI) dan isosianat polimer (PMDI). TDI diproduksi dengan menambahkan gugus nitrogen secara kimia pada toluena, mereaksikannya dengan hidrogen untuk menghasilkan diamina, dan memisahkan isomer yang tidak diinginkan. PMDI diturunkan oleh reaksi fosgenasi poliamina anilin-formaldehida. Selain isosianat ini, bahan akhir yang lebih tinggi juga tersedia. Ini termasuk bahan seperti 1,5-naftalena diisosianat dan bitolilena diisosianat. Bahan yang lebih mahal ini dapat memberikan lelehan yang lebih tinggi, segmen yang lebih keras dalam elastomer poliuretan.

Poliol

Spesies lain yang bereaksi diperlukan untuk menghasilkan poliuretan adalah senyawa yang mengandung beberapa gugus alkohol (OH), yang disebut poliol. Bahan yang sering digunakan untuk tujuan ini adalah polieter poliol, yaitu polimer yang terbentuk dari eter siklik. Mereka biasanya diproduksi melalui proses polimerisasi alkilena oksida. Mereka adalah polimer dengan berat molekul tinggi yang memiliki berbagai viskositas. Berbagai polieter poliol yang digunakan antara lain polietilen glikol, polipropilen glikol, dan politetrametilena glikol. Bahan-bahan ini umumnya digunakan ketika poliuretan yang diinginkan akan digunakan untuk membuat busa fleksibel atau elastomer termoset.

Poliester poliol juga dapat digunakan sebagai spesies yang bereaksi dalam produksi poliuretan. Mereka dapat diperoleh sebagai produk sampingan dari produksi asam tereftalat. Mereka biasanya didasarkan pada asam karboksilat aromatik jenuh dan diol. Poliester poliester bercabang digunakan untuk busa dan pelapis poliuretan. Poliester poliol adalah spesies reaksi yang paling banyak digunakan untuk produksi poliuretan. Namun, polieter poliol menjadi jauh lebih murah dan telah menggantikan poliol poliester.

Aditif

Beberapa bahan poliuretan rentan terhadap kerusakan akibat panas, cahaya, kontaminan atmosfer, dan klorin. Untuk alasan ini, stabilisator ditambahkan untuk melindungi polimer. Salah satu jenis stabilizer yang melindungi terhadap degradasi cahaya adalah screener UV yang disebut hydroxybenzotriazole. Untuk melindungi terhadap reaksi oksidasi, antioksidan digunakan. Berbagai antioksidan tersedia seperti monomer dan fenol yang dihambat polimer. Senyawa yang menghambat perubahan warna yang disebabkan oleh polutan atmosfer juga dapat ditambahkan. Ini biasanya bahan dengan fungsi amina tersier yang dapat berinteraksi dengan oksida nitrogen dalam polusi udara. Untuk aplikasi tertentu, aditif antijamur ditambahkan ke produk poliuretan.

Setelah polimer terbentuk dan dikeluarkan dari bejana reaksi, mereka menjadi putih alami. Oleh karena itu, pewarna dapat ditambahkan untuk mengubah penampilan estetika mereka. Senyawa kovalen umum untuk serat poliuretan tersebar dan pewarna asam.

Desain

Poliuretan dapat diproduksi dalam empat bentuk berbeda termasuk elastomer, pelapis, busa fleksibel, dan busa ikatan silang. Elastomer adalah bahan yang dapat diregangkan tetapi pada akhirnya akan kembali ke bentuk semula. Mereka berguna dalam aplikasi yang membutuhkan kekuatan, fleksibilitas, ketahanan abrasi, dan kualitas peredam kejut. Elastomer poliuretan termoplastik dapat dicetak dan dibentuk menjadi bagian yang berbeda. Hal ini membuat mereka berguna sebagai bahan dasar untuk suku cadang mobil, sepatu ski, roda sepatu roda, jaket kabel, dan barang mekanis lainnya. Ketika elastomer ini dipintal menjadi serat, mereka menghasilkan bahan fleksibel yang disebut spandeks. Spandex digunakan untuk membuat kaus kaki, bra, selang penyangga, pakaian renang, dan pakaian atletik lainnya.

Lapisan poliuretan menunjukkan ketahanan terhadap degradasi pelarut dan memiliki ketahanan benturan yang baik. Pelapis ini digunakan pada permukaan yang membutuhkan ketahanan abrasi, fleksibilitas, curing cepat, adhesi, dan ketahanan kimia seperti arena bowling dan lantai dansa. Pelapis poliuretan berbasis air digunakan untuk mengecat pesawat terbang, mobil, dan peralatan industri lainnya.

Busa fleksibel adalah pasar terbesar untuk poliuretan. Bahan-bahan ini memiliki kekuatan benturan yang tinggi dan digunakan untuk membuat sebagian besar bantalan furnitur. Mereka juga menyediakan bahan untuk kasur dan bantal kursi di furnitur dengan harga lebih tinggi. Semi fleksibel Diagram yang menggambarkan proses manufaktur yang digunakan untuk membuat insulasi busa poliuretan kaku. busa poliuretan digunakan untuk membuat dasbor mobil dan pelapis pintu. Kegunaan lain termasuk alas karpet, pengemasan, spons, penyapu, dan bantalan interior. Busa poliuretan kaku, atau ikatan silang digunakan untuk menghasilkan insulasi dalam bentuk papan atau laminasi. Laminasi digunakan secara luas dalam industri atap komersial. Bangunan sering disemprot dengan busa poliuretan.

Proses Pembuatan

Sementara polimer poliuretan digunakan untuk beragam aplikasi, metode produksinya dapat dipecah menjadi tiga fase berbeda. Pertama, produk polimer curah dibuat. Selanjutnya, polimer terkena berbagai langkah pemrosesan. Akhirnya, polimer diubah menjadi produk akhirnya dan dikirim. Proses produksi ini dapat diilustrasikan dengan melihat produksi terus menerus dari busa poliuretan.

Reaksi polimer

• 1 Pada awal produksi busa poliuretan, bahan baku yang bereaksi disimpan sebagai cairan dalam tangki baja tahan karat yang besar. Tangki-tangki ini dilengkapi dengan agitator untuk menjaga agar material tetap mengalir. Alat pengukur dipasang ke tangki sehingga jumlah bahan reaktif yang sesuai dapat dipompa keluar. Rasio khas poliol terhadap diisosianat adalah 1:2. Karena rasio bahan komponen menghasilkan polimer dengan karakteristik yang berbeda-beda, hal itu dikontrol secara ketat.
• 2 Bahan yang bereaksi dilewatkan melalui penukar panas saat dipompa ke dalam pipa. Penukar menyesuaikan suhu ke tingkat reaktif. Di dalam pipa, reaksi polimerisasi terjadi. Pada saat cairan polimerisasi sampai ke ujung pipa, poliuretan sudah terbentuk. Di salah satu ujung pipa adalah kepala pengeluaran untuk polimer.

Memproses

• 3 Kepala pengeluaran dihubungkan ke jalur pemrosesan. Untuk produksi insulasi busa poliuretan kaku, gulungan kertas roti digulung di awal jalur pemrosesan. Kertas ini dipindahkan sepanjang konveyor dan dibawa di bawah kepala pengeluaran.
• 4 Saat kertas lewat di bawah, poliuretan ditiupkan ke atasnya. Saat polimer dikeluarkan, ia dicampur dengan karbon dioksida yang menyebabkannya mengembang. Itu terus naik saat bergerak di sepanjang konveyor. (Lembaran poliuretan dikenal sebagai roti karena "mengembang" seperti adonan.)
• 5 Setelah reaksi pemuaian dimulai, lapisan atas kertas kedua digulung. Selain itu, kertas samping juga dapat digulung ke dalam proses. Setiap lapisan kertas mengandung busa poliuretan yang memberikan bentuk. Busa kaku dilewatkan melalui serangkaian panel yang mengontrol lebar dan tinggi sanggul busa. Saat mereka melakukan perjalanan melalui bagian jalur produksi ini, mereka biasanya dikeringkan.
• 6 Di akhir jalur produksi, insulasi busa dipotong dengan gergaji otomatis hingga panjang yang diinginkan. Roti busa kemudian dibawa ke tahap pemrosesan akhir yang meliputi pengemasan, penumpukan, dan pengiriman.

Kontrol Kualitas

Untuk memastikan kualitas bahan poliuretan, produsen memantau produk selama semua fase produksi. Inspeksi ini dimulai dengan evaluasi bahan baku yang masuk oleh ahli kimia kontrol kualitas. Mereka menguji berbagai karakteristik kimia dan fisik menggunakan metode yang telah ditetapkan. Beberapa karakteristik yang diuji antara lain pH, berat jenis, dan viskositas atau kekentalan. Selain itu, penampilan, warna, dan bau juga dapat diperiksa. Produsen telah menemukan bahwa hanya dengan mengontrol kualitas secara ketat pada awal produksi mereka dapat memastikan bahwa produk akhir yang konsisten akan tercapai.

Setelah produksi, produk poliuretan diuji. Produk pelapis poliuretan dievaluasi dengan cara yang sama seperti pemeriksaan bahan baku awal. Juga, karakteristik seperti waktu kering, ketebalan film, dan kekerasan diuji. Serat poliuretan diuji untuk hal-hal seperti elastisitas, ketahanan, dan daya serap. Busa poliuretan diperiksa untuk memastikan mereka memiliki kepadatan, ketahanan, dan fleksibilitas yang tepat.

Masa Depan

Kualitas poliuretan terus meningkat sejak pertama kali dikembangkan. Penelitian di berbagai bidang harus terus membantu membuat bahan yang unggul. Sebagai contoh, para ilmuwan telah menemukan bahwa dengan mengubah prapolimer awal, mereka dapat mengembangkan serat poliuretan yang memiliki karakteristik peregangan yang lebih baik. Karakteristik lain dapat dimodifikasi dengan memasukkan pengisi yang berbeda, menggunakan katalis yang lebih baik, dan memodifikasi rasio prapolimer.

Selain polimer itu sendiri, ke depan kemungkinan akan membawa perbaikan dalam proses produksi yang menghasilkan poliuretan yang lebih cepat, lebih murah, dan lebih ramah lingkungan. Tren terbaru dalam produksi poliuretan adalah penggantian toluena diisosianat dengan isosianat polimer yang kurang mudah menguap. Juga, produsen telah mencoba untuk menghilangkan zat peniup fluorokarbon terklorinasi yang sering digunakan dalam produksi busa poliuretan.