Grundlæggende kemiske reaktioner af polyurethanskum
Polyurethan kaldes undertiden PU, som er forkortelsen af polyurethan. Som navnet antyder, er det opkaldt efter urethan dannet ved reaktionen af isocyanat og hydroxylforbindelse som dets karakteristiske kædeled. Men faktisk er der mange kemiske reaktioner involveret i polyurethan, især polyurethanskum, og der er ikke mange hovedreaktioner, der virkelig er indflydelsesrige. De fleste af de kemiske reaktioner af polyurethan er relateret til de kemiske egenskaber af isocyanat NCO i isocyanater. NCO kan ikke kun reagere med hydroxylforbindelser for at danne carbamater, men også reagere med andre "aktive hydrogen" forbindelser for at danne forskellige kemiske forbindelser. Derved ændres polyurethans kemiske bindingsstruktur og materialeegenskaber.
Den aktive gruppe af isocyanat er isocyanat NCO. Den elektroniske struktur af NCO viser, at den har en stærk resonanseffekt. Den sædvanlige reaktion er hovedsageligt additionsreaktionen af carbon-nitrogen-dobbeltbinding. Forbindelser med aktivt hydrogen angriber først nitrogenatomet i NCO, og andre atomer forbundet med det aktive hydrogen tilsættes til carbonatomet i isocyanatcarbonylgruppen. Den aktive hydrogenforbindelse refererer til en forbindelse, der kan erstatte et hydrogenatom med metallisk natrium, hovedsageligt inklusive hydroxylholdige alkoholer, aminoholdige aminer, vand og lignende.
De vigtigste reaktioner af polyurethan kan opdeles i polymerisationsreaktion, skumreaktion og tværbindingsreaktion i henhold til deres funktioner.
1. Polymerisation
Det vil sige (1) reaktionen af isocyanat og hydroxyl
NCO af isocyanat reagerer med hydroxylen OH af alkohol (normalt polyether, polyester eller anden polyol) for at danne polyurethan.
2. Skummende reaktion
reaktionen af isocyanat og vand
NCO af isocyanat reagerer med vand for først at danne ustabil carbaminsyre, som derefter nedbrydes til amin og kuldioxid.
3. Tværgående reaktion
Herunder (3) allophanatreaktion og (4) biuretreaktion
Hydrogenet på nitrogenatomet i urethangruppen reagerer med isocyanatets NCO for at danne et allophanat. Hydrogenet på nitrogenatomet i urinstofgruppen i diureaet reagerer med isocyanatgruppen af isocyanatet for at danne et biuret.
Ovenstående to reaktioner (3) og (4) er begge tværgående reaktioner. Generelt er reaktionshastigheden relativt langsom. I mangel af en katalysator skal reaktionen udføres ved 110-130 °C. Jo højere temperaturen er, desto hurtigere er reaktionshastigheden. Hertil kommer, at fordi allophanat- og biuretlinkerne ikke er særlig stabile, vil det sige (3) og (4) er reversible reaktioner.
For at opsummere er der tre typer grundlæggende reaktioner af PU: reaktion (1) er en kædeforlængelsesreaktion eller polymerisationsreaktion, reaktion (2) er en gasgenereringsreaktion eller skumreaktion, og reaktioner (3) og (4) er tværbindende reaktioner.
I PU's skumdannelsesproces udføres disse reaktioner samtidigt ved en relativt høj hastighed, og de fleste af reaktionerne kan afsluttes inden for få minutter under katalysatorbetingelser. Endelig dannes et polyurethanskum med høj molekylvægt og en vis grad af tværbinding.
Polymerisationsreaktionen og tværbindingsreaktionen er de vigtigste reaktioner i dannelsen af polyurethanskumskelettet, som kollektivt kan betegnes som gelreaktionen; mens skumreaktionen er den vigtigste reaktion for forøgelsen af polyurethanvolumenet og dannelsen af gaskilden til den hule skumstruktur.
Udviklingen og justeringen af alle formuleringer af polyurethanskum, herunder mange praktiske problemer i skumproduktionen, er uadskillelige fra balancen mellem gelreaktion og skumreaktion.
