انواع ایزوسیانات

انواع اصلی ایزوسیانات‌ها شامل ایزوسیانات‌های آروماتیک مانند دی‌فنیل متان دی‌ایزوسیانات (MDI) و تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI) که پرکاربردترین در تولید فوم‌های پلی یورتان هستند و ایزوسیانات‌های آلیفاتیک مانند هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات (HDI) و ایزوفرون دی‌ایزوسیانات (IPDI) که به دلیل مقاومت در برابر نور UV در کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند همچنین پلی‌مری MDI (PMDI) که مخلوطی از MDI و الیگومرهاست برای تولید فوم‌های سخت با خواص مکانیکی خوب استفاده می‌شود و ایزوسیانات‌های دیگری مانند زایلن دی‌ایزوسیانات (XDI) نیز وجود دارند که کاربردهای محدودتری دارند.

انواع اصلی ایزوسیانات ها چه هستند؟

انواع اصلی ایزوسیانات‌ها را می‌توان بر اساس ساختار شیمیایی و تعداد گروه‌های عاملی ایزوسیانات (-NCO) در مولکولشان دسته‌بندی کرد. در زیر به تشریح این دسته‌بندی‌های اصلی می‌پردازیم:

1. بر اساس ساختار شیمیایی:

ایزوسیانات‌های آروماتیک (Aromatic Isocyanates):

این دسته از ایزوسیانات‌ها دارای یک یا چند حلقه بنزنی (آروماتیک) در ساختار خود هستند که گروه ایزوسیانات به طور مستقیم یا از طریق یک گروه متیلن به آن متصل شده است.

ویژگی‌ها:

• واکنش‌پذیری بالا به دلیل فعال شدن گروه ایزوسیانات توسط حلقه آروماتیک.
• معمولاً سرعت واکنش با پلی‌ال‌ها در آن‌ها بیشتر است.
• محصولات حاصل از آن‌ها (پلی‌یورتان‌ها) معمولاً دارای خواص مکانیکی و مقاومت شیمیایی خوبی هستند.
• برخی از آن‌ها به دلیل فشار بخار بالا و سمیت، نیاز به احتیاط بیشتری در کاربری دارند.
• در برخی موارد، محصولات حاصل از آن‌ها ممکن است در معرض نور UV دچار تغییر رنگ شوند (زرد شدن).

نمونه‌های پرکاربرد:

• تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI – Toluene Diisocyanate): شامل ایزومرهای 2,4-TDI و 2,6-TDI و مخلوط‌های آن‌ها. به طور گسترده در تولید فوم‌های نرم و برخی الاستومرها استفاده می‌شود.
• متیلن دی‌فنیل دی‌ایزوسیانات (MDI – Methylene Diphenyl Diisocyanate): شامل ایزومرهای 4,4′-MDI، 2,4′-MDI و ایزومرهای دیگر و مخلوط‌های پلیمری آن (PMDI). پرکاربردترین ایزوسیانات در جهان است و در تولید فوم‌های سخت، الاستومرها، چسب‌ها و پوشش‌ها استفاده می‌شود.
• نفتیلن دی‌ایزوسیانات (NDI – Naphthalene Diisocyanate): دارای خواص مکانیکی و حرارتی عالی در پلی‌یورتان‌های حاصله است، اما به دلیل سمیت و قیمت بالا، کاربرد محدودتری دارد.

ایزوسیانات‌های آلیفاتیک (Aliphatic Isocyanates):

در این دسته، گروه ایزوسیانات به یک زنجیره کربنی خطی یا حلقوی (غیر آروماتیک) متصل است.

ویژگی‌ها:

• واکنش‌پذیری کمتری نسبت به ایزوسیانات‌های آروماتیک دارند.
• پلی‌یورتان‌های حاصل از آن‌ها مقاومت بسیار خوبی در برابر نور UV و تغییر رنگ دارند.
• معمولاً سمیت کمتری نسبت به ایزوسیانات‌های آروماتیک دارند (البته این موضوع برای همه آن‌ها صادق نیست و باید MSDS هر ماده بررسی شود).
• به دلیل پایداری رنگ و مقاومت در برابر اشعه ماوراء بنفش، در کاربردهایی که حفظ رنگ و ظاهر در طولانی مدت مهم است (مانند پوشش‌های خودرو، پوشش‌های بیرونی، رنگ‌های صنعتی با کیفیت بالا) استفاده می‌شوند.

نمونه‌های پرکاربرد:

• هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات (HDI – Hexamethylene Diisocyanate): به طور گسترده در تولید پوشش‌های پلی‌یورتانی با دوام و مقاوم در برابر UV استفاده می‌شود. معمولاً به صورت پیش‌پلیمر یا بایورت و ایزوسیانورات برای کاهش خطر اسپری و افزایش ایمنی استفاده می‌شود.
• ایزوفرون دی‌ایزوسیانات (IPDI – Isophorone Diisocyanate): یک دی‌ایزوسیانات سیکلوآلیفاتیک با واکنش‌پذیری متفاوت بین دو گروه ایزوسیانات خود، که امکان ایجاد ساختارهای پلیمری پیچیده‌تر را فراهم می‌کند. در پوشش‌ها، الاستومرها و چسب‌ها کاربرد دارد.
• سیکلوهگزیل دی‌ایزوسیانات (CHDI – Cyclohexyl Diisocyanate): خواصی مشابه HDI دارد و در برخی کاربردهای خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ایزوسیانات‌های حلقوی-آلیفاتیک (Cycloaliphatic Isocyanates):

این دسته شامل ایزوسیانات‌هایی است که در آن‌ها گروه ایزوسیانات به یک حلقه آلیفاتیک (غیر آروماتیک) متصل است. IPDI و CHDI نمونه‌هایی از این دسته هستند که در بالا ذکر شدند. این دسته اغلب خواصی بین ایزوسیانات‌های آلیفاتیک خطی و آروماتیک از خود نشان می‌دهند.

2. بر اساس تعداد گروه‌های عاملی ایزوسیانات:

• مونوایزوسیانات‌ها (Monoisocyanates): دارای یک گروه ایزوسیانات در مولکول خود هستند. کاربرد اصلی آن‌ها معمولاً به عنوان مسدود کننده (blocking agent) برای دی‌ایزوسیانات‌ها یا در سنتزهای شیمیایی خاص است. به ندرت به تنهایی برای تولید پلی‌یورتان استفاده می‌شوند.
• دی‌ایزوسیانات‌ها (Diisocyanates): دارای دو گروه ایزوسیانات در مولکول خود هستند. این‌ها مهم‌ترین و پرکاربردترین نوع ایزوسیانات‌ها در تولید پلی‌یورتان‌ها هستند، زیرا امکان ایجاد زنجیره‌های پلیمری خطی یا شبکه‌ای را فراهم می‌کنند. نمونه‌های TDI، MDI، HDI و IPDI که قبلاً ذکر شدند، همگی دی‌ایزوسیانات هستند.
• پلی‌ایزوسیانات‌ها (Polyisocyanates): دارای بیش از دو گروه ایزوسیانات در مولکول خود هستند. این‌ها معمولاً از طریق واکنش‌های پلیمریزاسیون یا اصلاح دی‌ایزوسیانات‌ها به دست می‌آیند.

ویژگی‌ها:

• ایجاد شبکه‌های پلیمری با اتصالات عرضی بیشتر، که منجر به پلی‌یورتان‌هایی با سختی، مقاومت شیمیایی و حرارتی بالاتر می‌شود.
• ویسکوزیته بالاتری نسبت به دی‌ایزوسیانات‌های مونومری دارند.
• می‌توانند به صورت پیش‌پلیمر (prepolymer) یا ساختارهای پیچیده‌تر مانند بایورت (biuret) و ایزوسیانورات (isocyanurate) تولید شوند تا خواص کاربری و ایمنی آن‌ها بهبود یابد.

نمونه‌ها:

• پلیمرهای MDI (PMDI): مخلوطی از الیگومرهای MDI با تعداد حلقه‌های آروماتیک بیشتر از دو.
• بایورت‌های HDI: حاصل واکنش HDI با آب یا آمین‌ها، که دارای گروه‌های ایزوسیانات آزاد بیشتری نسبت به HDI مونومری هستند و ویسکوزیته کمتری دارند.
• ایزوسیانورات‌های HDI: دارای حلقه‌های شش عضوی حاوی سه گروه ایزوسیانات هستند که پایداری حرارتی و مقاومت شیمیایی بالایی به پلی‌یورتان می‌بخشند.
• پیش‌پلیمرهای ایزوسیانات: حاصل واکنش دی‌ایزوسیانات‌ها با مقدار کمی پلی‌ال، که گروه‌های ایزوسیانات انتهایی دارند و ویسکوزیته و فشار بخار آن‌ها معمولاً کمتر از دی‌ایزوسیانات‌های مونومری است.
• درک این دسته‌بندی‌ها و ویژگی‌های هر نوع ایزوسیانات برای انتخاب ماده مناسب در کاربردهای مختلف پلی‌یورتانی بسیار مهم است. انتخاب نوع ایزوسیانات تأثیر مستقیمی بر خواص نهایی محصول پلی‌یورتانی خواهد داشت.

تفاوت بین ایزوسیانات های آلیفاتیک و آروماتیک

تفاوت‌های اساسی بین ایزوسیانات‌های آلیفاتیک و آروماتیک در ساختار شیمیایی، خواص، کاربردها و پایداری آن‌ها در برابر عوامل محیطی نهفته است. در ادامه به تفصیل به این تفاوت‌ها می‌پردازیم:

1. ساختار شیمیایی:

• ایزوسیانات‌های آروماتیک: این دسته از ایزوسیانات‌ها دارای یک یا چند حلقه بنزن (حلقه آروماتیک) در ساختار مولکولی خود هستند که گروه ایزوسیانات (-NCO) مستقیماً یا از طریق یک گروه متیلن به این حلقه متصل شده است. نمونه‌های رایج شامل:
• تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI): دارای دو گروه ایزوسیانات متصل به حلقه تولوئن.
• متیلن دی‌فنیل دی‌ایزوسیانات (MDI): دارای دو حلقه بنزن که توسط یک گروه متیلن به هم متصل شده‌اند و هر حلقه دارای یک گروه ایزوسیانات است.
• ایزوسیانات‌های آلیفاتیک: این دسته از ایزوسیانات‌ها فاقد حلقه بنزن هستند و گروه ایزوسیانات به یک زنجیره هیدروکربنی خطی یا حلقوی (غیر آروماتیک) متصل است. نمونه‌های رایج شامل:
• هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات (HDI): دارای دو گروه ایزوسیانات متصل به یک زنجیره 6 کربنی.
• ایزوفرون دی‌ایزوسیانات (IPDI): دارای دو گروه ایزوسیانات متصل به یک ساختار حلقوی آلیفاتیک.

2. واکنش‌پذیری:

• ایزوسیانات‌های آروماتیک: به طور کلی، ایزوسیانات‌های آروماتیک واکنش‌پذیری بیشتری نسبت به ایزوسیانات‌های آلیفاتیک دارند. این واکنش‌پذیری بالاتر به دلیل تأثیر حلقه آروماتیک بر روی گروه ایزوسیانات است که باعث می‌شود اتم کربن در گروه -NCO الکترون‌دوست‌تر شود و راحت‌تر با ترکیبات دارای هیدروژن فعال (مانند الکل‌ها، آمین‌ها و آب) واکنش دهد.
• ایزوسیانات‌های آلیفاتیک: واکنش‌پذیری کمتری دارند و واکنش آن‌ها با ترکیبات دارای هیدروژن فعال کندتر صورت می‌گیرد.

3. پایداری در برابر نور UV و عوامل جوی:

• ایزوسیانات‌های آروماتیک: محصولات حاصل از واکنش ایزوسیانات‌های آروماتیک (مانند پوشش‌ها و فوم‌های پلی‌یورتانی) در برابر نور فرابنفش (UV) و عوامل جوی (مانند رطوبت و تغییرات دما) پایداری کمتری دارند. قرار گرفتن در معرض UV می‌تواند منجر به تخریب پیوندهای شیمیایی، زرد شدن و کاهش خواص مکانیکی شود.
• ایزوسیانات‌های آلیفاتیک: محصولات حاصل از واکنش ایزوسیانات‌های آلیفاتیک پایداری بسیار بهتری در برابر نور UV و عوامل جوی دارند. این ویژگی آن‌ها را برای کاربردهای خارجی که در معرض نور خورشید و شرایط آب و هوایی مختلف قرار دارند، بسیار مناسب می‌سازد.

4. کاربردها:

• ایزوسیانات‌های آروماتیک: به دلیل واکنش‌پذیری بالا و هزینه نسبتاً پایین‌تر، به طور گسترده در تولید فوم‌های پلی‌یورتان انعطاف‌پذیر و سخت (مانند فوم‌های مبلمان، عایق‌های حرارتی)، الاستومرها، چسب‌ها و برخی از انواع رنگ‌ها و پوشش‌های صنعتی استفاده می‌شوند. TDI و MDI از رایج‌ترین ایزوسیانات‌های آروماتیک هستند.
• ایزوسیانات‌های آلیفاتیک: به دلیل پایداری عالی در برابر نور UV و عوامل جوی، عمدتاً در تولید پوشش‌های با دوام و مقاوم در برابر شرایط محیطی (مانند رنگ‌های خودرو، پوشش‌های صنعتی خارجی، پوشش‌های کف)، الاستومرهای ترموپلاستیک پلی‌یورتان (TPU) با دوام بالا و برخی از انواع چسب‌ها و درزگیرها به کار می‌روند. HDI و IPDI از مهم‌ترین ایزوسیانات‌های آلیفاتیک هستند.

5. سمیت و ملاحظات ایمنی:

به طور کلی، هر دو دسته ایزوسیانات می‌توانند سمی و تحریک‌کننده باشند و تماس با آن‌ها می‌تواند باعث مشکلات تنفسی، تحریک پوست و چشم شود. با این حال، برخی از ایزوسیانات‌های آروماتیک (مانند TDI) به دلیل فراریت بالاتر و سمیت شناخته‌شده‌تر، نیازمند احتیاط بیشتری در هنگام استفاده هستند.

ایزوسیانات‌های آلیفاتیک معمولاً فراریت کمتری دارند، اما همچنان باید با احتیاط و رعایت نکات ایمنی مورد استفاده قرار گیرند.

ایزوسیانات های مورد استفاده در فوم پلی یورتان

ایزوسیانات‌ها نقش کلیدی در تولید فوم‌های پلی یورتان ایفا می‌کنند. آن‌ها به عنوان یکی از دو جزء اصلی (جزء دیگر پلی‌ال‌ها هستند) در واکنش پلیمریزاسیون شرکت کرده و ساختار نهایی فوم را تعیین می‌کنند. تنوع در انواع ایزوسیانات‌ها امکان تولید فوم‌های پلی یورتان با خواص بسیار متنوع را فراهم می‌آورد. در اینجا به بررسی کامل‌تر ایزوسیانات‌های مورد استفاده در فوم پلی یورتان می‌پردازیم:

انواع اصلی ایزوسیانات‌های مورد استفاده در فوم پلی یورتان:

به طور کلی، ایزوسیانات‌های آروماتیک به دلیل قیمت مناسب‌تر و واکنش‌پذیری بالاتر، بیشترین کاربرد را در تولید فوم‌های پلی یورتان دارند. با این حال، ایزوسیانات‌های آلیفاتیک نیز در کاربردهای خاص که نیاز به مقاومت در برابر نور UV و عدم زردشوندگی است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دی‌فنیل متان دی‌ایزوسیانات (MDI – Methylene Diphenyl Diisocyanate):

• شکل‌های مختلف: MDI به اشکال مختلفی از جمله ایزومرهای 2,4′-MDI، 4,4′-MDI و مخلوطی از ایزومرها (MDI خام یا پلیمری) وجود دارد.
• کاربرد: MDI به طور گسترده در تولید فوم‌های سخت (Rigid Foam) مورد استفاده قرار می‌گیرد که در عایق‌های حرارتی، پانل‌های ساندویچی و قطعات خودرو کاربرد دارند. همچنین در تولید برخی از فوم‌های نیمه سخت و الاستومرها نیز استفاده می‌شود.
• ویژگی‌ها: فوم‌های تولید شده با MDI معمولاً دارای استحکام و چگالی بالاتری هستند.

تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI – Toluene Diisocyanate):

• شکل‌های مختلف: TDI معمولاً به صورت مخلوطی از ایزومرهای 2,4-TDI و 2,6-TDI (معمولاً 80/20 یا 65/35) عرضه می‌شود.
• کاربرد: TDI بیشتر در تولید فوم‌های نرم (Flexible Foam) مورد استفاده قرار می‌گیرد که در مبلمان، تشک‌ها، بالشت‌ها و قطعات داخلی خودرو کاربرد دارند. همچنین در تولید برخی از الاستومرها و پوشش‌ها نیز استفاده می‌شود.
• ویژگی‌ها: فوم‌های تولید شده با TDI معمولاً نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر هستند. TDI واکنش‌پذیری بالاتری نسبت به MDI دارد و کار با آن نیازمند رعایت نکات ایمنی بیشتری است.

پلی‌مری دی‌فنیل متان دی‌ایزوسیانات (PMDI – Polymeric Methylene Diphenyl Diisocyanate):

• شرح: PMDI مخلوطی از MDI و الیگومرهای با وزن مولکولی بالاتر است.
• کاربرد: به طور عمده در تولید فوم‌های سخت و نیمه سخت با خواص مکانیکی خوب و قیمت مناسب استفاده می‌شود.
• ویژگی‌ها: ویسکوزیته بالاتری نسبت به MDI خالص دارد و می‌تواند خواص چسبندگی و پیوند دهندگی بهتری در فوم ایجاد کند.

هگزامتیلن دی‌ایزوسیانات (HDI – Hexamethylene Diisocyanate):

• نوع: یک ایزوسیانات آلیفاتیک است.
• کاربرد: به دلیل مقاومت بالا در برابر نور UV و عدم زردشوندگی، بیشتر در تولید پوشش‌ها، الاستومرها و فوم‌های خاص که در معرض نور خورشید قرار دارند، استفاده می‌شود. کاربرد آن در فوم‌های حجیم به دلیل قیمت بالاتر محدودتر است.

ایزوفرون دی‌ایزوسیانات (IPDI – Isophorone Diisocyanate):

• نوع: یک ایزوسیانات آلیفاتیک سیکلوآلیفاتیک است.
• کاربرد: مشابه HDI، به دلیل مقاومت نوری خوب، در تولید پوشش‌ها، الاستومرها و فوم‌های تخصصی با مقاومت بالا در برابر عوامل محیطی استفاده می‌شود.

زایلن دی‌ایزوسیانات (XDI – Xylene Diisocyanate):

• نوع: یک ایزوسیانات آروماتیک است اما واکنش‌پذیری کمتری نسبت به MDI و TDI دارد.
• کاربرد: در تولید برخی از الاستومرها و پوشش‌ها کاربرد دارد و استفاده آن در فوم‌ها محدودتر است.

کدام ایزوسیانات بیشتر در فوم‌های مبلمان استفاده می‌شود؟

تولوئن دی‌ایزوسیانات (TDI) به دلیل ایجاد فوم‌های نرم و انعطاف‌پذیر، کاربرد گسترده‌ای در فوم‌های مبلمان دارد.

برای عایق حرارتی ساختمان از چه نوع ایزوسیاناتی استفاده می‌کنند؟

دی‌فنیل متان دی‌ایزوسیانات (MDI) و پلی‌مری MDI (PMDI) به دلیل ایجاد فوم‌های سخت با خواص عایق‌بندی عالی، در این کاربرد رایج هستند.

آیا فوم پلی یورتان حاوی ایزوسیانات برای سلامتی مضر است؟

فوم پلی یورتان واکنش داده شده و پایدار است. خطرات اصلی مربوط به بخارات ایزوسیانات در حین فرآیند تولید است که باید با تهویه مناسب و تجهیزات ایمنی کنترل شود.

تفاوت بین MDI و TDI در تولید فوم چیست؟

MDI فوم‌های سخت‌تر و متراکم‌تر تولید می‌کند و واکنش‌پذیری کمتری دارد، در حالی که TDI فوم‌های نرم‌تر و انعطاف‌پذیرتر تولید می‌کند و واکنش‌پذیری بالاتری دارد.

چرا برخی فوم‌های پلی یورتان زرد می‌شوند؟

استفاده از ایزوسیانات‌های آروماتیک (مانند TDI) در معرض نور UV می‌تواند منجر به زرد شدن فوم شود. ایزوسیانات‌های آلیفاتیک (مانند HDI و IPDI) مقاومت بیشتری در برابر زردشوندگی دارند.

آیا می‌توان از مخلوطی از ایزوسیانات‌ها در تولید فوم استفاده کرد؟

بله، تولیدکنندگان اغلب از مخلوطی از ایزوسیانات‌ها برای دستیابی به خواص فوم مورد نظر و بهینه‌سازی هزینه‌ها استفاده می‌کنند.

چه عواملی بر کیفیت فوم پلی یورتان تولید شده با ایزوسیانات تاثیر می‌گذارند؟

نوع و نسبت ایزوسیانات و پلی‌ال، کاتالیزورها، عوامل فوم‌زا، افزودنی‌ها و شرایط فرآیند تولید بر کیفیت فوم تاثیرگذار هستند.

آیا ایزوسیانات‌های مورد استفاده در فوم قابل بازیافت هستند؟

بازیافت فوم پلی یورتان حاوی ایزوسیانات چالش‌برانگیز است، اما روش‌هایی برای بازیافت شیمیایی و مکانیکی در حال توسعه است.

چگونه می‌توان از خطرات کار با ایزوسیانات‌ها در تولید فوم جلوگیری کرد؟

استفاده از تجهیزات حفاظت فردی (PPE)، تهویه مناسب محیط کار، آموزش کارکنان و رعایت دستورالعمل‌های ایمنی از جمله راهکارهای پیشگیری از خطرات هستند.

آیا ایزوسیانات‌های آلیفاتیک در تولید فوم کاربرد دارند؟

بله، اگرچه کاربرد آن‌ها به دلیل هزینه بالاتر محدودتر است، اما در تولید فوم‌های خاص با مقاومت بالا در برابر نور UV و عوامل محیطی استفاده می‌شوند.