Polyuretandispersion
Polyurethan Dispersion , eller PUD, förstås vara ett polyuretanpolymerharts dispergerat i vatten , snarare än ett lösningsmedel , även om något hjälplösningsmedel kan användas. Dess tillverkning innefattar syntes av polyuretaner med karboxylsyrafunktionalitet eller nonjoniska hydrofiler som PEG (polyetylenglykol) inkorporerade i, eller hängande från, polymerstommen.
Bakgrund
Det har funnits en allmän trend mot att konvertera befintliga hartssystem till vattenburna hartser , för enkel användning och miljöhänsyn. Framför allt drevs deras utveckling av en ökad efterfrågan på lösningsmedelsfria system eftersom tillverkningen av beläggningar och lim medförde att lösningsmedel släpps ut i atmosfären från många källor. Att använda VOC-undantagna lösningsmedel är inte ett universalmedel eftersom de har sina egna svagheter.
Problemet har alltid varit att polyuretaner i vatten inte är stabila och reagerar för att producera en urea och koldioxid . Många papper och patent har publicerats i ämnet. Av miljöskäl finns det till och med en push att ha PUD tillgänglig både vattenbaserad och biobaserad eller tillverkad av förnybara råvaror. PUDs används på grund av den allmänna önskan att formulera beläggningar, lim, tätningsmedel och elastomerer baserade på vatten snarare än lösningsmedel, och på grund av de upplevda eller antagna fördelarna för miljön.
Syntes
Teknikerna och tillverkningsprocesserna har förändrats under åren från de som beskrivs i de första artiklarna, tidskriftsartiklarna och patenten som publicerades. Det finns ett antal tekniker tillgängliga beroende på vilken typ av art som krävs. En jon kan bildas som kan vara en anjon som sålunda bildar en anjonisk PUD eller en katjon kan bildas som bildar en katjonisk PUD. Det är också möjligt att syntetisera en icke-jonisk PUD. Detta innebär att man använder material som kommer att producera en etylenoxidryggrad , eller liknande, eller en vattenlöslig kedja från huvudpolymerens ryggrad.
Anjoniska PUD är den absolut vanligaste tillgängliga kommersiellt. För att framställa dessa tillverkas initialt en polyuretanprepolymer på vanligt sätt, men istället för att bara använda isocyanat och polyol , ingår en modifierare i polymerens ryggradskedja eller hängande från huvudstommen. Denna modifierare är/var huvudsakligen dimetylolpropionsyra (DMPA). Denna molekyl innehåller två hydroxigrupper och en karboxylsyragrupp . OH-grupperna reagerar med isocyanatgrupperna för att producera en NCO-terminerad prepolymer men med en vidhängande COOH-grupp. Detta dispergeras nu under skjuvning i vatten med ett lämpligt neutraliseringsmedel såsom trietylamin . Detta reagerar med karboxylsyran och bildar ett salt som är vattenlösligt. Vanligtvis tillsätts sedan en diaminkedjeförlängare för att producera en polyuretan dispergerad i vatten utan fria NCO-grupper men med polyuretan- och polyureasegment . Dytek A används ofta som kedjeförlängare. Olika papper och patent visar att en aminkedjeförlängare med mer än två funktionaliteter, såsom en triamin, också kan användas. Det finns också en push för att ha en syntesstrategi som är icke-isocyanatbaserad. När blockerade isocyanater används finns det ingen isocyanat (NCO) funktionalitet och följaktligen vattenreaktionen som producerar koldioxid så dispergering är lättare.
Det är också möjligt att införa hydrofilicitet i den polymera molekylen genom att använda en modifierad kedjeförlängare istället för att göra det i polymerskelettet eller en vidhängande kedja. Material med lägre viskositet är ofta resultatet, liksom högre fasta ämnen. En variant på denna teknik är att införliva sulfonatgrupper. PUD/polyakrylatblandningar kan framställas på detta sätt även med användning av interna emulgeringsmedel.
Katjonisk PUD introducerar också hydrofila komponenter när de syntetiseras, men tekniker har och undersöks för att förbättra prestanda och vattenbeständighetsegenskaper med olika tekniker. Detta inkluderar introduktion av stjärngrenad polydimetylsiloxan.
Forskning har gjorts och publicerats som visar att det inte är dispersionshastigheten, mekanisk omrörning eller högskjuvningsblandning som har störst effekt på egenskaperna, utan snarare den kemiska sammansättningen. Emellertid kan partikelstorleksfördelningen styras av detta till viss del.
Används
De finner användning i beläggningar , lim , tätningsmedel och elastomerer . Specifika användningsområden inkluderar industriella beläggningar, UV-beläggningshartser, golvbeläggningar, hygienbeläggningar, träbeläggningar, lim, betongbeläggningar, bilbeläggningar, klara beläggningar och antikorrosiva applikationer. De används också vid design och tillverkning av medicinsk utrustning som polyuretanförbandet, ett flytande bandage baserat på polyuretandispersion. För att förbättra deras funktionalitet i flamskyddsapplikationer utvecklas produkter som har denna funktion inbyggd i polymermolekylen. De har även funnit användning i allmänna textila tillämpningar såsom beläggning av nonwovens. Läderbeläggningar med antibakteriella egenskaper har också syntetiserats med PUD och silvernanopartiklar.
Svagheter och nackdelar
Även om de har utmärkta miljöegenskaper, tenderar vattenburna polyuretandispersioner att lida av lägre mekanisk hållfasthet än andra hartser. Slitage- och korrosionsbeständigheten är inte heller lika bra och därför hybridiseras de ofta. Andra strategier som används för att övervinna några av svagheterna inkluderar molekylär design och blandning/blandning med oorganiska snarare än polymera material. Användningen av ett anjoniskt eller katjoniskt centrum eller faktiskt en hydrofil icke-jonisk tillverkningsteknik tenderar att resultera i en permanent inbyggd vattenresistenssvaghet. Forskning bedrivs och tekniker utvecklas för att bekämpa denna svaghet. Enkel blandning har också använts. Detta har fördelen att om ingen ny molekyl har bildats utan bara blandas med befintliga registrerade råvaror, så är det en väg runt det arbete som krävs för att få registrering av materialet under olika landsregimer som REACH i Europa och TSCA i USA . På grund av att vattnets ytspänning är så hög, tenderar nålhål och andra problem med luftindragning att vara vanligare och behöver speciella tillsatser för att bekämpa . De tenderar också att inte tillverkas med biobaserade polyoler eftersom vegetabiliska polyoler inte har prestationshöjande funktionella grupper. Modifiering är möjlig för att uppnå detta och möjliggöra ännu grönare versioner.
Hybrider
Nackdelarna med PUD förbättras genom forskning. Hybridisering med andra material och tekniker är ett sådant område. PUDs som är vattenburna och UV-härdbara undersöks intensivt med långt över 100 forskningsartiklar producerade under tidsperioden 2000-2020. Vattenburna PUD-akrylater baserade på epoxiderad sojabönolja som också är UV-härdbar har producerats och är genomförbara. Akrylatets natur påverkar egenskaperna.
När joncentra introduceras med vattenburna PUD, har vattenbeständigheten och upptaget i den slutliga filmen studerats omfattande. Polyolens natur och nivån av COOH-grupper och hydrofob modifiering med andra delar kan förbättra denna egenskap. Polyesterpolyoler ger de största förbättringarna. Polykarbonatpolyoler förbättrar också egenskaperna, särskilt om polykarbonatet också är fluorerat. Att förstärka PUD med nanomaterial förbättrar också egenskaperna, liksom silikonmodifiering.
För att göra PUDs mer hydrofoba och vattenavvisande och på så sätt ta bort en svaghet har en rad tekniker forskats fram. Ett sätt är att tillsätta hydroxietylakrylat till polyolen som reagerar med isocyanat. När PUD har gjorts kommer den att ha terminal dubbelbindningsfunktion från akrylatet. Detta kan nu sampolymeriseras med ett mycket hydrofobt akrylat såsom stearylakrylat med användning av friradikaltekniker. Denna introducerade långa alkylkedja ger hydrofobicitet.
En annan metod för hybridisering är att göra en PUD som är både anjonisk men med en mycket betydande nonjonisk modifiering med användning av en polyeterpolyol baserad på etylenoxid. Dessutom kan en silikondiol införlivas.
Eftersom PUD är harts dispergerat i vatten, när de gjuts som en film och torkas är de naturligt högglansade. De kan designas för att vara matta/platta genom att inkorporera siloxanfunktionalitet.
Låg koldioxidekonomi och grön
När världen försöker gå mot en ekonomi med låga koldioxidutsläpp , får tekniken att använda koldioxidavskiljning genom att använda koldioxid från atmosfären uppmärksamhet och forskning görs. Det forskas på att använda koldioxid i PUD-produktion. Högt biobaserat innehåll är lika uppskattat. Beläggningsmaterial som är vegetabiliska, vattenburna och UV-härdbara anses vara mycket gröna och har studerats.