Quel matière est fait le polyuréthane ?

Quel matière est fait le polyuréthane ?Les polyuréthannes sont des polymères linéaires qui ont un squelette moléculaire contenant des groupes carbamates (-NHCO2). Ces groupes, appelés uréthane, sont produits par une réaction chimique entre un diisocyanate et un polyol. Développés pour la première fois à la fin des années 1930, les polyuréthanes sont parmi les polymères les plus polyvalents. Ils sont utilisés dans l'isolation des bâtiments, les revêtements de surface, les adhésifs, les plastiques solides et les vêtements de sport.

Contexte


Les polyuréthanes, également appelés polycarbamates, appartiennent à une classe plus large de composés appelés polymères. Les polymères sont des macromolécules constituées d'unités répétitives plus petites appelées monomères. Généralement, ils consistent en une molécule principale de squelette à longue chaîne avec des groupes latéraux attachés. Les polyuréthannes sont caractérisés par des groupes carbamates (-NHCO ) dans leur squelette moléculaire.
Les polymères synthétiques, tels que le polyuréthane, sont produits en faisant réagir des monomères dans un réacteur. Afin de produire du polyuréthane, une réaction, également appelée condensation, est effectuée. Dans ce type de réaction chimique, les monomères présents contiennent des groupes terminaux réactifs. Spécifiquement, un diisocyanate (OCN-R-NCO) est mis à réagir avec un diol (HO-R-OH). La première étape de cette réaction se traduit par la liaison chimique des deux molécules en laissant un alcool réactif (OH) d'un côté et un isocyanate réactif (NCO) de l'autre. Ces groupes réagissent davantage avec d'autres monomères pour former une molécule plus grande et plus longue. Il s’agit d’un processus rapide qui permet d’obtenir des matières de poids moléculaire élevé même à température ambiante.

Histoire


La chimie du polyuréthane a été étudiée pour la première fois par le chimiste allemand Friedrich Bayer en 1937. Il a produit des premiers prototypes en faisant réagir du toluène diisocyanate ayant réagi avec des alcools dihydriques. À partir de ce travail, l'une des premières fibres de polyuréthane cristallin, Perlon U, a été développée. La mise au point de polyuréthanes élastiques a commencé par un programme visant à remplacer le caoutchouc à l’époque de la Seconde Guerre mondiale. En 1940, les premiers élastomères de polyuréthane ont été produits. Ces composés ont donné des gommes broyables qui pourraient être utilisées comme une alternative adéquate au caoutchouc. Lorsque les scientifiques ont découvert que les polyuréthanes pouvaient être transformés en fils fins, ils étaient combinés au nylon pour fabriquer des vêtements plus légers et extensibles.
En 1953, la première production commerciale d'une mousse de polyuréthane souple a été lancée aux États-Unis. Ce matériau était utile pour l'isolation en mousse. En 1956, des mousses plus souples et moins chères ont été introduites. À la fin des années 1950, des polyuréthanes moulables ont été produits. Au fil des ans, des polymères de polyuréthane améliorés ont été développés, notamment des fibres Spandex, des revêtements de polyuréthane et des élastomères thermoplastiques.

Matières premières


Une variété de matières premières sont utilisées pour produire des polyuréthanes. Ceux-ci comprennent les monomères, les prépolymères, les stabilisants qui protègent l'intégrité du polymère et les colorants.

Isocyanates

Un des matériaux réactifs essentiels requis pour produire des polyuréthannes sont les diisocyanates. Ces composés sont caractérisés par un groupe (NCO) qui est un alcool hautement réactif. Les isocyanates les plus utilisés dans la production de polyuréthane sont le toluène diisocyanate (TDI) et l'isocyanate polymère (PMDI). Le TDI est produit par addition chimique d' azotegroupes sur le toluène, en les faisant réagir avec de l'hydrogène pour produire une diamine et en séparant les isomères indésirables. Le PMDI est dérivé d'une réaction de phosgénation des polyamines d'aniline-formaldéhyde. En plus de ces isocyanates, des matériaux haut de gamme sont également disponibles. Ceux-ci comprennent des matériaux tels que le 1,5-naphtalène diisocyanate et le bitolylène diisocyanate. Ces matériaux plus coûteux peuvent fournir des segments plus durs à fusion supérieure dans les élastomères de polyuréthane.

Polyols

Les autres espèces réactives nécessaires pour produire des polyuréthanes sont des composés qui contiennent de multiples groupes alcool (OH), appelés polyols. Les matériaux souvent utilisés à cette fin sont les polyéther-polyols, qui sont des polymères formés à partir d'éthers cycliques. Ils sont typiquement produits par un procédé de polymérisation d'oxyde d'alkylène. Ce sont des polymères de haut poids moléculaire qui ont une large gamme de viscosité. Divers polyéther polyols utilisés comprennent le polyéthylène glycol, le polypropylène glycol et le polytétraméthylène glycol. Ces matériaux sont généralement utilisés lorsque le polyuréthanne souhaité va être utilisé pour fabriquer des mousses souples ou des élastomères thermodurcis.
Les polyols de polyester peuvent également être utilisés comme espèces réactives dans la production de polyuréthanes. Ils peuvent être obtenus en tant que sous-produit de la production d'acide téréphtalique. Ils sont typiquement basés sur des acides carboxyliques aromatiques saturés et des diols. Les polyester-polyols ramifiés sont utilisés pour les mousses et les revêtements en polyuréthane. Les polyols de polyester étaient les espèces réactives les plus utilisées pour la production de polyuréthanes. Cependant, les polyéther-polyols sont devenus nettement moins coûteux et ont supplanté les polyester-polyols.

Additifs

Certains matériaux en polyuréthane peuvent être vulnérables aux dommages causés par la chaleur, la lumière, les contaminants atmosphériques et le chlore. Pour cette raison, des stabilisants sont ajoutés pour protéger le polymère . Un type de stabilisant qui protège contre la dégradation de la lumière est un écran UV appelé hydroxybenzotriazole. Pour se protéger des réactions d'oxydation, des antioxydants sont utilisés. Divers antioxydants sont disponibles, tels que des phénols encombrés monomères et polymères. Des composés qui inhibent la décoloration causée par les polluants atmosphériques peuvent également être ajoutés. Ce sont généralement des matériaux à fonctionnalité amine tertiaire qui peuvent interagir avec les oxydes d'azote dans la pollution atmosphérique. Pour certaines applications, des additifs anti-moisissures sont ajoutés au produit polyuréthane.
Une fois que les polymères sont formés et retirés des réacteurs, ils sont naturellement blancs. Par conséquent, des colorants peuvent être ajoutés pour modifier leur aspect esthétique. Les composés covalents courants pour les fibres de polyuréthane sont des colorants acides et dispersés.

Conception


Les polyuréthanes peuvent être produits sous quatre formes différentes, notamment les élastomères, les revêtements, les mousses souples et les mousses réticulées. Les élastomères sont des matériaux qui peuvent être étirés mais qui finiront par retrouver leur forme d'origine. Ils sont utiles dans les applications nécessitant résistance, flexibilité, résistance à l'abrasion et qualités d'absorption des chocs. Les élastomères thermoplastiques en polyuréthane peuvent être moulés et façonnés en différentes parties. Cela les rend utiles comme matériaux de base pour les pièces automobiles, les chaussures de ski, les roues de patins à roulettes, les gaines de câbles et autres articles mécaniques. Lorsque ces élastomères sont filés en fibres, ils produisent un matériau flexible appelé spandex. Le spandex est utilisé pour fabriquer des chaussettes, des soutiens-gorge, des tuyaux de soutien, des maillots de bain et d’autres vêtements de sport.
Les revêtements en polyuréthane présentent une résistance à la dégradation des solvants et une bonne résistance aux chocs. Ces revêtements sont utilisés sur les surfaces nécessitant une résistance à l'abrasion, une flexibilité, un durcissement rapide, une adhérence et une résistance chimique telles que les pistes de bowling et les pistes de danse. Les revêtements à base de polyuréthane à base d'eau sont utilisés pour peindre des avions, des automobiles et d'autres équipements industriels.
Les mousses souples constituent le plus grand marché des polyuréthanes. Ces matériaux ont une résistance élevée aux chocs et sont utilisés pour la plupart des coussins de meubles. Ils fournissent également le matériel pour les matelas et les coussins de siège dans des meubles plus chers. Semi-flexible

Un diagramme illustrant les procédés de fabrication utilisés pour créer une isolation en mousse de polyuréthane rigide .
les mousses de polyuréthane sont utilisées pour fabriquer des tableaux de bord et des revêtements de portes de voitures. D'autres utilisations incluent la sous-couche de tapis, l'emballage, les éponges, les raclettes et le rembourrage intérieur. Les mousses de polyuréthane rigides ou réticulées sont utilisées pour produire des isolants sous forme de panneaux ou de stratifiés. Les stratifiés sont largement utilisés dans l'industrie des toitures commerciales. Les bâtiments sont souvent aspergés d'une mousse de polyuréthane.

Le processus de fabrication


Alors que les polymères de polyuréthane sont utilisés dans de nombreuses applications, leur méthode de production peut être divisée en trois phases distinctes. Premièrement, le produit polymère en vrac est fabriqué. Ensuite, le polymère est exposé à diverses étapes de traitement. Enfin, le polymère est transformé en produit final et expédié. Ce processus de production peut être illustré en examinant la production continue de mousses de polyuréthane.

Réactions des polymères

  • 1 Au début de la production de mousse de polyuréthane, les matières premières réactives sont retenues comme liquides dans de grands réservoirs en acier inoxydable. Ces réservoirs sont équipés d'agitateurs pour garder les matériaux fluides. Un dispositif de dosage est attaché aux réservoirs afin que la quantité appropriée de matériel réactif puisse être pompée. Un rapport typique du polyol au diisocyanate est de 1: 2. Comme le rapport des composants produit des polymères aux caractéristiques variables, il est strictement contrôlé.
  • 2 Les matériaux réactifs sont passés dans un échangeur de chaleur lorsqu'ils sont pompés dans les tuyaux. L'échangeur ajuste la température au niveau réactif. A l'intérieur des tuyaux, la réaction de polymérisation se produit. Au moment où le liquide polymérisant arrive à la fin du tuyau, le polyuréthane est déjà formé. À une extrémité du tuyau se trouve une tête de distribution pour le polymère.

En traitement

  • 3 La tête de distribution est raccordée à la chaîne de traitement. Pour la production d'isolant en mousse de polyuréthane rigide, un rouleau de papier de cuisson est enroulé au début de la chaîne de traitement. Ce papier est déplacé le long d'un convoyeur et amené sous la tête de distribution.
  • 4 Au fur et à mesure que le papier passe sous, du polyuréthane est soufflé dessus. À mesure que le polymère est distribué, il est mélangé au dioxyde de carbone, ce qui provoque son expansion. Il continue à monter à mesure qu'il se déplace le long du convoyeur. (La feuille de polyuréthane est connue comme un chignon car elle "monte" comme une pâte.)
  • 5 Après le début de la réaction d'expansion, une deuxième couche supérieure de papier est appliquée. De plus, les papiers latéraux peuvent également être intégrés au processus. Chaque couche de papier contient la mousse de polyuréthane qui lui donne sa forme. La mousse rigide est passée à travers une série de panneaux qui contrôlent la largeur et la hauteur du chignon en mousse. En traversant cette section de la chaîne de production, ils sont généralement séchés.
  • 6 À la fin de la chaîne de production, l'isolation en mousse est coupée avec une scie automatique à la longueur souhaitée. Le chignon en mousse est ensuite acheminé vers les étapes finales de traitement, à savoir l’emballage, l’empilage et l’expédition.

Contrôle de qualité


Pour assurer la qualité du matériau polyuréthane, les producteurs surveillent le produit pendant toutes les phases de la production. Ces inspections commencent par une évaluation des matières premières entrantes par les chimistes du contrôle de la qualité. Ils testent diverses caractéristiques chimiques et physiques en utilisant des méthodes établies. Parmi les caractéristiques testées figurent le pH, la densité et la viscosité ou l’épaisseur. De plus, l'apparence, la couleur et l'odeur peuvent également être examinées. Les fabricants ont constaté que seul un contrôle strict de la qualité au début de la production leur permettait de garantir un produit fini cohérent.
Après la production, le produit en polyuréthane est testé. Les produits de revêtement en polyuréthane sont évalués de la même manière que les matières premières initiales sont contrôlées. En outre, des caractéristiques telles que le temps de séchage, l’épaisseur du film et la dureté sont testées. Les fibres de polyuréthane sont testées pour des éléments tels que l'élasticité, la résilience et la capacité d'absorption. Les mousses de polyuréthane sont vérifiées pour s'assurer qu'elles ont la densité, la résistance et la flexibilité appropriées.

L'avenir


La qualité des polyuréthanes s'est régulièrement améliorée depuis leur développement. La recherche dans divers domaines devrait continuer à aider à fabriquer des matériaux de qualité supérieure. Par exemple, les scientifiques ont découvert qu'en modifiant les prépolymères de départ, ils peuvent développer des fibres de polyuréthane qui présentent des caractéristiques d'étirement encore meilleures. D'autres caractéristiques peuvent être modifiées en incorporant différentes charges, en utilisant de meilleurs catalyseurs et en modifiant les rapports de prépolymère.
Outre les polymères eux-mêmes, l’avenir apportera probablement des améliorations au processus de production, ce qui se traduira par des polyuréthanes plus rapides, moins coûteux et plus écologiques. Une tendance récente dans la production de polyuréthane est le remplacement des diisocyanates de toluène par des isocyanates polymères moins volatils. En outre, les fabricants ont essayé d'éliminer les agents d' expansion à base de fluorocarbure chloré qui sont souvent utilisés dans la production de mousses de polyuréthane.
Où en savoir plus

Livres

Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology. John Wiley & Sons, 1997.
Oertel, G. Polyurethane Handbook. Second ed. Munich: Carl Hanser Publishers, 1993.
Seymour, Raymond, and Charles Carraher. Polymer Chemistry. New York: Marcel Dekker,1992.
Ulrich, H. The Chemistry and Technology of Isocyanates. New York: John Wiley & Sons, 1996.
— Perry Romanowski


Iklan Atas Artikel

Iklan Tengah Artikel 1

Iklan Tengah Artikel 2

Iklan Bawah Artikel