MOFAN

Neiegkeeten

Fuerschungsfortschrëtter zu Net-Isocyanat-Polyurethanen

Zënter hirer Aféierung am Joer 1937 hunn Polyurethan (PU) Materialien extensiv Uwendungen a verschiddene Secteuren fonnt, dorënner den Transport, de Bau, d'Petrochemie, d'Textilindustrie, d'Maschinn- an d'Elektrotechnik, d'Loft- a Raumfaart, d'Gesondheetswiesen an d'Landwirtschaft. Dës Materialien ginn a Forme wéi Schaumplastik, Faseren, Elastomeren, Waasserdichtungsmëttel, synthetescht Lieder, Beschichtungen, Klebstoffer, Stroossebaumaterialien a medizinescht Material benotzt. Traditionellt PU gëtt haaptsächlech aus zwee oder méi Isocyanaten zesumme mat makromolekulare Polyolen a klengmolekulare Kettenverlängerer synthetiséiert. Wéi och ëmmer, déi inherent Toxizitéit vun Isocyanaten stellt bedeitend Risiken fir d'mënschlech Gesondheet an d'Ëmwelt duer; ausserdem gi se typescherweis aus Phosgen - engem héichgëftege Virgänger - an entspriechende Amin-Rohmaterialien ofgeleet.

Am Liicht vun der aktueller Striewe vun der chemescher Industrie no gréngen a nohaltege Entwécklungspraktiken, konzentréiere sech d'Fuerscher ëmmer méi drop, Isocyanate duerch ëmweltfrëndlech Ressourcen ze ersetzen, wärend se nei Syntheseweeër fir net-isocyanat Polyurethane (NIPU) exploréieren. Dësen Artikel stellt d'Virbereedungsweeër fir NIPU vir, während d'Fortschrëtter a verschiddenen Aarte vun NIPU iwwerpréift ginn an hir Zukunftsperspektiven diskutéiert ginn, fir eng Referenz fir weider Fuerschung ze bidden.

 

1 Synthese vun net-isocyanat Polyurethanen

Déi éischt Synthese vu Carbamatverbindungen mat nidderegem Molekulargewiicht mat monocyclesche Carbonate a Kombinatioun mat aliphateschen Diaminen ass an den 1950er Joren am Ausland stattfonnt - wat e wichtege Moment a Richtung vun der Synthese vu Polyurethan ouni Isocyanat markéiert huet. Aktuell gëtt et zwou Haaptmethoden fir d'Produktioun vun NIPU: Déi éischt ëmfaasst schrëttweis Additiounsreaktiounen tëscht binäre zyklische Carbonate a binäre Aminen; déi zweet ëmfaasst Polykondensatiounsreaktiounen mat Diurethan-Zwëschenprodukter zesumme mat Diolen, déi de strukturellen Austausch bannent Carbamaten erliichteren. Diamarboxylat-Zwëschenprodukter kënnen entweder iwwer zyklisch Carbonat- oder Dimethylcarbonat (DMC)-Wee kritt ginn; grondsätzlech reagéieren all Methoden iwwer Kuelensäuregruppen, wat Carbamatfunktionalitéiten ergëtt.

Déi folgend Sektiounen ginn am Detail op dräi verschidde Methode fir d'Synthese vu Polyurethan ouni d'Benotzung vun Isocyanat an.

1.1 Binär Zyklische Karbonatroute

NIPU kann duerch schrëttweis Zousätz mat binärem zyklischem Karbonat gekoppelt mat binärem Amin synthetiséiert ginn, wéi an der Figur 1 illustréiert.

Bild1

Wéinst de ville Hydroxylgruppen, déi an de Widderhuelungseenheeten laanscht seng Haaptkettestruktur präsent sinn, ergëtt dës Method normalerweis dat sougenannt Polyβ-Hydroxy-Polyurethan (PHU). Leitsch et al. hunn eng Serie vu Polyether-PHUs entwéckelt, déi zyklisch-karbonat-terminéiert Polyether zesumme mat binäre Aminen a klenge Molekülen, déi aus binäre zyklische Carbonaten ofgeleet sinn, benotzen - a verglach dës mat traditionelle Methoden, déi fir d'Virbereedung vu Polyether-PUs benotzt ginn. Hir Erkenntnisser weisen datt Hydroxylgruppen an PHUs liicht Waasserstoffbrécke mat Stéckstoff/Sauerstoffatome bilden, déi a mëllen/haarten Segmenter leien; Variatiounen tëscht de mëllen Segmenter beaflossen och d'Verhale vun de Waasserstoffbindungen souwéi de Grad vun der Mikrophasentrennung, wat duerno d'allgemeng Leeschtungseigenschaften beaflossen.

Dës Method, déi typescherweis ënner Temperaturen iwwer 100 °C duerchgefouert gëtt, generéiert keng Nieweprodukter während de Reaktiounsprozesser, wouduerch se relativ onsënsibel géintiwwer Fiichtegkeet ass, während se stabil Produkter ouni Volatilitéitsproblemer ergëtt. Allerdéngs sinn organesch Léisungsmëttel, déi duerch eng staark Polaritéit charakteriséiert sinn, wéi z. B. Dimethylsulfoxid (DMSO), N,N-Dimethylformamid (DMF), etc., noutwendeg. Zousätzlech féieren verlängert Reaktiounszäiten, déi tëscht engem Dag a fënnef Deeg reechen, dacks zu méi niddrege Molekulargewichte, déi dacks ënner de Schwellenwäerter vun 30 kg/mol leien, wat d'Groussproduktioun schwéier mécht. Dëst ass haaptsächlech wéinst den héije Käschten, déi domat verbonne sinn, an och wéinst der onzureichender Stäerkt, déi déi resultéierend PHUen opweisen, trotz villverspriechenden Uwendungen, déi Dämpfungsmaterialberäicher, Formgedächtniskonstruktiounen, Klebstoffformuléierungen, Beschichtungsléisungen, Schaumstoffer etc. erstrecken.

1.2 Monozylikkarbonat-Route

Monocyklesch Karbonat reagéiert direkt mat Diamin, wouduerch en Dicarbamat mat Hydroxyl-Endgruppen ergëtt, dat dann spezialiséiert Transesterifikatiouns-/Polykondensatiounsinteraktioune mat Diolen duerchgeet, wouduerch schlussendlech en NIPU entsteet, deen strukturell ähnlech wéi traditionell Géigestécker ass, déi visuell an der Figur 2 duergestallt sinn.

Bild2

Dacks benotzt monozyklesch Varianten enthalen karboniséiert Substrater aus Ethylen a Propylen, wou den Zhao Jingbo säin Team vun der Beijing University Of Chemical Technology verschidden Diamine benotzt huet, déi se géint déi zyklesch Entitéite reagéiert hunn, fir ufanks verschidden strukturell Dicarbamat-Intermediären ze kréien, ier se mat Kondensatiounsphasen weidergaange sinn, andeems se entweder Polytetrahydrofurandiol/Polyether-Diole benotzt hunn, wat zu enger erfollegräicher Bildung gefouert huet, déi jeeweileg Produktlinnen mat beandrockenden thermeschen/mechaneschen Eegeschafte weisen, déi no uewen Schmëlzpunkter erreechen, déi ëm e Beräich vun ongeféier 125~161°C schwanken, Zuchfestigkeiten, déi no bei 24 MPa erreechen, an Dehnungsraten vun no bei 1476%. Wang et al. hunn ähnlech Kombinatioune mat DMC benotzt, déi respektiv mat Hexamethylendiamin/Cyclokarbonéierte Virleefer gepaart goufen, fir hydroxy-terminéiert Derivater ze synthetiséieren, an duerno biobasesch Dibasesäuren wéi Oxalsäure/Sebacinsäure/Adipinsäure-Terephthaliksäuren ënnerworf ze hunn, an domat endgültege Resultater ze weisen, déi Beräicher vun 13k~28k g/mol Zuchfestigkeiten enthalen, déi 9~17 MPa schwanken an Dehnungsraten variéieren tëscht 35% an 235%.

Cyclocarbonesch Ester engagéiere sech effektiv ouni Katalysatoren ënner typesche Konditiounen, andeems se Temperaturen tëscht ongeféier 80° an 120°C halen. An de spéideren Transesterifikatioune ginn normalerweis katalytesch Systemer op Basis vun Organotin benotzt, déi eng optimal Veraarbechtung garantéieren, déi net méi wéi 200°C ass. Nieft einfache Kondensatiounsufwendungen, déi op diolesch Inputen abzielen, kënnen och Selbstpolymerisatiouns-/Deglykolyse-Phänomener d'Generéierung vun de gewënschte Resultater erliichteren. Dëst mécht d'Methodologie inherent ëmweltfrëndlech a produzéiert haaptsächlech Methanol/Klengmolekül-Diolreschter, wat a Zukunft liewensfäeg industriell Alternativen ubitt.

1.3 Dimethylkarbonat-Route

DMC stellt eng ökologesch gesond/net-gëfteg Alternativ duer mat ville aktive funktionelle Molekülen, dorënner Methyl/Methoxy/Carbonyl-Konfiguratiounen, déi d'Reaktivitéitsprofiler däitlech verbesseren, wat initial Interaktioune erméiglecht, wouduerch DMC direkt mat Diamine interagéiert a méi kleng Methylcarbamat-terminéiert Intermédiairen bildt, gefollegt vun Schmëlzkondensatiounsaktiounen, déi zousätzlech Kleng-Ketten-Verlängerungs-Dioler/Grouss-Polyol-Bestanddeeler enthalen, wat schlussendlech zur Entstoe vu gesichte Polymerstrukturen féiert, déi deementspriechend an der Figur 3 visualiséiert sinn.

Bild3

Den Deepa et.al. huet déi uewe genannte Dynamik ausgenotzt, andeems hien d'Natriummethoxid-Katalyse ausgenotzt huet, fir verschidde Zwëschenformatiounen ze orchestréieren, déi duerno gezielt Verlängerungen agesat hunn, déi zu Serien vun äquivalenten Haartsegmentkompositioune féieren, déi Molekulargewichte vun ongeféier (3 ~ 20) x 10^3 g/mol Glasübergangstemperaturen vun (-30 ~ 120 °C) erreechen. De Pan Dongdong huet strategesch Pairungen ausgewielt, déi aus DMC-Hexamethylen-Diaminopolycarbonat-Polyalkoholen bestoungen, a bemierkenswäert Resultater erreecht hunn, déi Zuchfestigkeitsmetriken mat oszilléierenden Dehnungsverhältnisser vun 10-15 MPa vun ongeféier 1000% - 1400% weisen. Fuerschungsstudien iwwer verschidden Kettenverlängerungsaflëss hunn Präferenzen opgedeckt, déi d'Auswiel vu Butandiol/Hexandiol favorabel ausriichten, wann d'Atomzuelparitéit d'Gläichméissegkeet behalen huet, wat zu enger Verbesserung vun der geuerdneter Kristallinitéit an de ganze Ketten gefouert huet. D'Grupp vum Sarazin huet Kompositmaterialien hiergestallt, déi Lignin/DMC zesumme mat Hexahydroxyamin integréieren, wat no der Veraarbechtung bei 230 ℃ zefriddestellend mechanesch Eegeschafte weist. Weider Fuerschunge ware fir d'Ofleedung vun net-Isocyanat-Polyharnstoffe mat Hëllef vun Diazomonomer-Interaktioun geduecht, wouduerch potenziell Uwendungen fir Lack optrieden, déi komparativ Virdeeler géintiwwer Vinyl-Kuelestoff-Géigeparteien ervirhiewen, wat d'Käschteeffizienz/méi breet Beschaffungsméiglechkeeten ervirhieft. D'Due Diligence betreffend Methoden fir grouss Quantitéiten synthetiséiert erfuerdert typescherweis Ëmfeld mat erhéichter Temperatur/Vakuum, wat de Besoin fir Léisungsmëttel ausschléisst an doduerch d'Offallstréim miniméiert, déi haaptsächlech nëmmen Methanol/Klengmolekül-Diol-Ofwaasser limitéiert sinn, wat zu méi grénge Syntheseparadigme féiert.

 

2 verschidde mëll Segmenter aus net-isocyanat Polyurethan

2.1 Polyether-Polyurethan

Polyether-Polyurethan (PEU) gëtt wäit verbreet benotzt wéinst senger gerénger Kohäsiounsenergie vun Etherbindungen a mëllen Segment-Widderhuelungseenheeten, einfacher Rotatioun, exzellenter Flexibilitéit bei Niddertemperaturen an Hydrolysebeständegkeet.

De Kebir et al. hunn Polyether-Polyurethan mat DMC, Polyethylenglykol a Butandiol als Rohmaterialien synthetiséiert, awer d'Molekulargewiicht war niddreg (7.500 ~ 14.800 g/mol), den Tg war méi niddreg wéi 0 ℃, an de Schmelzpunkt war och niddreg (38 ~ 48 ℃), an d'Festigkeit an aner Indikatoren waren schwéier den Ufuerderunge vum Gebrauch gerecht ze ginn. D'Fuerschungsgrupp vum Zhao Jingbo huet Ethylenkarbonat, 1,6-Hexandiamin a Polyethylenglykol benotzt fir PEU ze synthetiséieren, wat e Molekulargewiicht vun 31.000 g/mol, eng Zugfestigkeit vu 5 ~ 24 MPa an eng Brochdehnung vun 0,9% ~ 1.388% huet. D'Molekulargewiicht vun der synthetiséierter Serie vun aromatesche Polyurethanen ass 17.300 ~ 21.000 g/mol, den Tg ass -19 ~ 10 ℃, de Schmelzpunkt ass 102 ~ 110 ℃, d'Zuchfestigkeit ass 12 ~ 38 MPa, an d'elastesch Erhuelungsquote vun 200% konstanter Dehnung ass 69% ~ 89%.

D'Fuerschungsgrupp vum Zheng Liuchun a Li Chuncheng huet den Zwëschenprodukt 1,6-Hexamethylendiamin (BHC) mat Dimethylcarbonat an 1,6-Hexamethylendiamin a Polykondensatioun mat verschiddene klengmolekularen, geradekettegen Diolen a Polytetrahydrofurandiolen (Mn=2000) preparéiert. Eng Serie vu Polyetherpolyurethanen (NIPEU) ouni Isocyanatwee gouf preparéiert, an de Problem vun der Vernetzung vun den Zwëschenprodukter während der Reaktioun gouf geléist. D'Struktur an d'Eegeschafte vum traditionelle Polyetherpolyurethan (HDIPU), dee vum NIPEU preparéiert gouf, an 1,6-Hexamethylendiisocyanat goufen verglach, wéi an der Tabell 1 gewisen.

Beispill Massenundeel vun haarde Segmenter/% Molekulargewiicht/(g·mol^(-1)) Index vun der Molekulargewiichtsverdeelung Zuchfestigkeit/MPa Dehnung beim Broch/%
NIPEU30 30 74000 1.9 12,5 1250
NIPEU40 40 66000 2.2 8.0 550
HDIPU30 30 46000 1.9 31.3 1440
HDIPU40 40 54000 2.0 25,8 1360

Tabelle 1

D'Resultater an der Tabell 1 weisen datt déi strukturell Ënnerscheeder tëscht NIPEU an HDIPU haaptsächlech um haarde Segment zeréckzeféieren sinn. D'Harnstoffgrupp, déi duerch d'Niewereaktioun vum NIPEU generéiert gëtt, gëtt zoufälleg an der Molekülkette vum haarde Segment agebett, wouduerch den haarde Segment brécht a geuerdnet Waasserstoffbindunge bildt, wat zu schwaache Waasserstoffbindunge tëscht de Molekülketten vum haarde Segment an enger gerénger Kristallinitéit vum haarde Segment féiert, wat zu enger gerénger Phasentrennung vum NIPEU féiert. Dofir si seng mechanesch Eegeschafte vill méi schlecht wéi déi vum HDIPU.

2.2 Polyester Polyurethan

Polyester-Polyurethan (PETU) mat Polyester-Diolen als mëll Segmenter huet eng gutt biologesch ofbaubarkeet, Biokompatibilitéit a mechanesch Eegeschaften a kann benotzt ginn fir Tissue Engineering-Gerüster ze preparéieren, wat e biomedizinescht Material mat groussen Uwendungsperspektiven ass. Polyester-Diolen, déi dacks a mëllen Segmenter benotzt ginn, sinn Polybutylendipatdiol, Polyglykol-Adipatdiol a Polycaprolactondiol.

Fréier hunn de Rokicki et al. Ethylenkarbonat mat Diamin a verschiddenen Diolen (1,6-Hexandiol, 1,10-n-Dodecanol) reagéiert fir verschidden NIPU ze kréien, awer den synthetiséierten NIPU hat e méi niddregt Molekulargewiicht an e méi niddregen Tg. De Farhadian et al. huet polyzyklesch Karbonat mat Sonneblummenueleg als Rohmaterial hiergestallt, duerno mat biobaséierte Polyaminen gemëscht, op enger Plack beschichtet an 24 Stonnen bei 90 ℃ gehärtet fir en thermohärtende Polyester-Polyurethan-Film ze kréien, deen eng gutt thermesch Stabilitéit gewisen huet. D'Fuerschungsgrupp vum Zhang Liqun vun der South China University of Technology huet eng Serie vun Diaminen a zyklischen Karbonaten synthetiséiert an duerno mat biobaséierter Dibasinsäure kondenséiert fir biobaséiert Polyester-Polyurethan ze kréien. D'Fuerschungsgrupp vum Zhu Jin um Ningbo Institute of Materials Research vun der Chinesescher Akademie vun de Wëssenschaften huet den Diaminodiol-Hartsegment mat Hexadiamin a Vinylkarbonat hiergestallt, an duerno mat biobaséierter ongesiedeger Dibasinsäure polykondenséiert fir eng Serie vu Polyester-Polyurethan ze kréien, déi no der Ultravioletthärtung als Faarf benotzt ka ginn [23]. D'Fuerschungsgrupp vum Zheng Liuchun a Li Chuncheng huet Adipinsäure a véier aliphatesch Diolen (Butandiol, Hexadiol, Octandiol an Decandiol) mat verschiddene Kuelestoffatomzuelen benotzt, fir déi entspriechend Polyesterdiolen als mëll Segmenter ze preparéieren; Eng Grupp vun net-isocyanat Polyesterpolyurethan (PETU), benannt no der Unzuel vun de Kuelestoffatome vun aliphatischen Diolen, gouf duerch Schmelzpolykondensatioun mam Hydroxy-versiegelten haarde Segmentpräpolymer kritt, deen duerch BHC an Diolen preparéiert gouf. Déi mechanesch Eegeschafte vu PETU sinn an der Tabell 2 gewisen.

Beispill Zuchfestigkeit/MPa Elastizitéitsmodul/MPa Dehnung beim Broch/%
PETU4 6.9±1.0 36±8 673±35
PETU6 10.1±1.0 55±4 568±32
PETU8 9.0±0,8 47±4 551±25
PETU10 8.8±0,1 52±5 137±23

Tabelle 2

D'Resultater weisen datt de mëllen Segment vu PETU4 déi héchst Carbonyldicht, déi stäerkst Waasserstoffbindung mam haarden Segment an de niddregsten Phasentrennungsgrad huet. D'Kristallisatioun souwuel vum mëllen wéi och vum haarden Segment ass limitéiert, weist e niddrege Schmelzpunkt a Zugfestigkeit, awer déi héchst Dehnung beim Broch.

2.3 Polycarbonat-Polyurethan

Polycarbonat-Polyurethan (PCU), besonnesch aliphatesch PCU, huet eng exzellent Hydrolysebeständegkeet, Oxidatiounsbeständegkeet, eng gutt biologesch Stabilitéit a Biokompatibilitéit a gutt Uwendungsaussichten am Beräich vun der Biomedizin. De Moment benotzt de gréissten Deel vun den NIPU-Produkter Polyetherpolyole a Polyesterpolyole als mëll Segmenter, an et gëtt wéineg Fuerschungsberichter iwwer Polycarbonat-Polyurethan.

De Polycarbonat-Polycarbonat-Polyurethan ouni Isocyanat, dee vun der Fuerschungsgrupp vum Tian Hengshui op der South China University of Technology hiergestallt gouf, huet e Molekulargewiicht vu méi wéi 50.000 g/mol. Den Afloss vun de Reaktiounsbedingungen op d'Molekulargewiicht vum Polymer gouf ënnersicht, awer seng mechanesch Eegeschafte sinn net gemellt ginn. D'Fuerschungsgrupp vum Zheng Liuchun a Li Chuncheng huet PCU mat DMC, Hexandiamin, Hexadiol a Polycarbonat-Diole hiergestallt a PCU no dem Masseundeel vun der widderhuelender Eenheet vum haarde Segment genannt. Déi mechanesch Eegeschafte sinn an der Tabell 3 gewisen.

Beispill Zuchfestigkeit/MPa Elastizitéitsmodul/MPa Dehnung beim Broch/%
PCU18 17±1 36±8 665±24
PCU33 19±1 107±9 656±33
PCU46 21±1 150±16 407±23
PCU57 22±2 210±17 262±27
PCU67 27±2 400±13 63±5
PCU82 29±1 518±34 26±5

Tabelle 3

D'Resultater weisen datt PCU en héicht Molekulargewiicht huet, bis zu 6×104 ~ 9×104 g/mol, e Schmelzpunkt vu bis zu 137 ℃ an eng Zugfestigkeit vu bis zu 29 MPa. Dës Zort PCU kann entweder als steife Plastik oder als Elastomer benotzt ginn, wat gutt Uwendungsméiglechkeeten am biomedizinesche Beräich huet (wéi z.B. Gerüster fir mënschlecht Tissue Engineering oder kardiovaskulär Implantmaterialien).

2.4 Hybrid Net-Isocyanat-Polyurethan

Hybrid Net-Isocyanat-Polyurethan (Hybrid NIPU) ass d'Aféierung vun Epoxyharz-, Acrylat-, Siliziumdioxid- oder Siloxangruppen an de molekulare Raster vu Polyurethan, fir en interpenetréierend Netzwierk ze bilden, d'Leeschtung vum Polyurethan ze verbesseren oder dem Polyurethan aner Funktiounen ze ginn.

Feng Yuelan et al. hunn biobaséiert Epoxy-Sojabounenueleg mat CO2 reagéiert fir pentamonescht zyklescht Karbonat (CSBO) ze synthetiséieren, an hunn Bisphenol A Diglycidylether (Epoxyharz E51) mat méi steife Kettensegmenter agefouert fir den NIPU weider ze verbesseren, deen duerch CSBO, dat mat Amin festgemaach ass, geformt gëtt. D'Molekularkette enthält e laangt flexiblet Kettensegment vun Ölsäure/Linolsäure. Si enthält och méi steif Kettensegmenter, sou datt si eng héich mechanesch Stäerkt an eng héich Zähegkeet huet. E puer Fuerscher hunn och dräi Aarte vun NIPU-Prepolymere mat Furan-Endgruppen duerch d'Geschwindegkeetsöffnungsreaktioun vun Diethylenglykol-bicyclesche Karbonat an Diamin synthetiséiert, an duerno mat ongesiedegtem Polyester reagéiert fir e mëllt Polyurethan mat Selbstheilungsfunktioun ze preparéieren, an hunn déi héich Selbstheilungseffizienz vu mëllen NIPU erfollegräich realiséiert. Hybrid NIPU huet net nëmmen d'Charakteristike vum allgemenge NIPU, mä kann och eng besser Adhäsioun, Säure- a Basikorrosiounsbeständegkeet, Léisungsmëttelbeständegkeet a mechanesch Stäerkt hunn.

 

3 Ausbléck

NIPU gëtt ouni d'Benotzung vu gëftegem Isocyanat hiergestallt a gëtt de Moment a Form vu Schaum, Beschichtung, Klebstoff, Elastomer an aner Produkter ënnersicht a bitt eng breet Palette vun Uwendungsméiglechkeeten. Déi meescht vun hinne sinn awer nach ëmmer op d'Laborfuerschung limitéiert, an et gëtt keng grouss Produktioun. Zousätzlech ass NIPU mat der Verbesserung vum Liewensstandard vun de Leit an dem kontinuéierleche Wuesstem vun der Nofro zu enger wichteger Fuerschungsrichtung ginn, wéi antibakteriell, Selbstreparatur, Formgedächtnis, Flammhemmend, héich Hëtztbeständegkeet asw. Dofir soll déi zukünfteg Fuerschung verstoen, wéi een déi wichtegst Problemer vun der Industrialiséierung duerchbriechen kann a weiderhin d'Richtung vun der Virbereedung vu funktionellem NIPU exploréiere kann.


Zäitpunkt vun der Verëffentlechung: 29. August 2024

Schreift Är Noriicht