Základné chemické reakcie polyuretánovej peny
Polyuretán sa niekedy označuje ako PU, čo je skratka pre polyuretán. Ako už názov napovedá, je pomenovaný podľa uretánu, ktorý vzniká reakciou izokyanátu a hydroxylovej zlúčeniny ako jeho charakteristického reťazového článku. Ale v skutočnosti existuje veľa chemických reakcií zapojených do polyuretánu, najmä polyuretánovej peny, a nie je veľa hlavných reakcií, ktoré sú skutočne vplyvné. Väčšina chemických reakcií polyuretánu súvisí s chemickými vlastnosťami izokyanátov NCO v izokyanátoch. NCO môže nielen reagovať s hydroxylovými zlúčeninami za vzniku karbamátov, ale môže tiež reagovať s inými zlúčeninami "aktívneho vodíka" za vzniku rôznych chemických väzieb. Tým sa mení štruktúra chemickej väzby a materiálové vlastnosti polyuretánu.
Aktívnou skupinou izokyanátu je izokyanát NCO. Elektronická štruktúra NCO ukazuje, že má silný rezonančný efekt. Obvyklá reakcia je hlavne adičná reakcia dvojitej väzby uhlík-dusík. Zlúčeniny s aktívnym vodíkom najskôr atakujú atóm dusíka NCO a ďalšie atómy pripojené k aktívnemu vodíku sa pridajú k atómu uhlíka izokyanátovej karbonylovej skupiny. Zlúčenina aktívneho vodíka označuje zlúčeninu, ktorá môže nahradiť atóm vodíka kovovým sodíkom, najmä vrátane alkoholov obsahujúcich hydroxylovú skupinu, amínov obsahujúcich aminoskupinu, vody a podobne.
Hlavné reakcie polyuretánu možno podľa ich funkcií rozdeliť na polymerizačnú reakciu, penovú reakciu a sieťovaciu reakciu.
1. Polymerizácia
To je (1) reakcia izokyanátu a hydroxylu
NCO izokyanátu reaguje s hydroxyl OH alkoholu (zvyčajne polyéter, polyester alebo iný polyol) za vzniku polyuretánu.
2. Peniaca reakcia
reakcia izokyanátu a vody
NCO izokyanátu reaguje s vodou najskôr za vzniku nestabilnej kyseliny karbamovej, ktorá sa potom rozkladá na amín a oxid uhličitý.
3. Reakcia zosieťovania
Vrátane (3) alofanátovej reakcie a (4) biuretovej reakcie
Vodík na atóme dusíka uretánovej skupiny reaguje s NCO izokyanátu za vzniku alofanátu. Vodík na atóme dusíka močovinovej skupiny v dimočovine reaguje s izokyanátovou skupinou izokyanátu za vzniku biuretu.
Vyššie uvedené dve reakcie (3) a (4) sú obe zosieťovacie reakcie. Všeobecne povedané, reakčná rýchlosť je relatívne nízka. V neprítomnosti katalyzátora by sa reakcia mala uskutočniť pri 110-130 stupňoch. Čím vyššia je teplota, tým vyššia je rýchlosť reakcie. Okrem toho, pretože alofanátové a biuretové linkery nie sú veľmi stabilné, to znamená, že (3) a (4) sú reverzibilné reakcie.
Stručne povedané, existujú tri typy základných reakcií PU: reakcia (1) je reakcia predlžovania reťazca alebo polymerizačná reakcia, reakcia (2) je reakcia vytvárania plynu alebo peniaca reakcia a reakcie (3) a (4) sú zosieťovacie reakcie.
V procese penenia PU sa tieto reakcie uskutočňujú súčasne pri relatívne vysokej rýchlosti a väčšina reakcií môže byť dokončená v priebehu niekoľkých minút za podmienok katalyzátora. Nakoniec sa vytvorí polyuretánová pena s vysokou molekulovou hmotnosťou a určitým stupňom zosieťovania.
Polymerizačná reakcia a sieťovacia reakcia sú hlavné reakcie pri tvorbe skeletu polyuretánovej peny, ktoré možno súhrnne označiť ako gélovú reakciu; pričom penová reakcia je hlavnou reakciou pre zväčšenie objemu polyuretánu a vytvorenie zdroja plynu dutej penovej štruktúry.
Vývoj a úprava všetkých formulácií polyuretánovej peny, vrátane mnohých praktických problémov pri výrobe pien, sú neoddeliteľné od rovnováhy gélovej reakcie a penovej reakcie.
