خواص و فرمولاسیون کفپوش های پلی یورتان

بازدید: ۶۳

خواص و فرمولاسیون کفپوش های پلی یورتان

در مورد کفپوش پلی یورتان نیز مثل کفپوش اپوکسی باید به رئولوژی، نسبت اختلاط وزنی یا حجمی اجزا، دانسیته اجزا و دانسیته ترکیبی، استحکام فشاری، کششی و خمشی، ضخامت اجرایی، زمان خشک شدن سطحی، پخت کامل، زمان open time و چسبندگی به سطح توجه نمود. کفپوش پلی یورتان قابلیت الاستیسیته و انعطاف پذیری خوبی داشته و همچنین مقاومت در برابر ضربه، مقاومت در برابر ترک خوردگی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش کفپوش پلی یورتان بالا است. بنابراین کفپوش پلی یورتان برای سالن های ورزشی، اتاق های انجماد و مکان های در معرض خوردگی بیشتر مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین کفپوش پلی یورتان مقاومت نسبتا خوبی در برابر مواد شیمیایی دارد. برای مثال در صنایع غذایی و لبنی که در معرض اسید لاکتیک هستند، کفپوش پلی یورتان گزینه اول است. البته کفپوش های پلی یورتان شدیدا به رطوبت حساس بوده و در تماس با رطوبت دچار مشکلات زیادی میشوند. یکی دیگر از ویژگی های این کفپوش ها مقاومت خوب آنها در برابر UV خوردشید است. البته این ویژگی زمانی به خوبی بروز پیدا میکند که هاردنر استفاده شده ساختار آلیفاتیک داشته باشد (مانند HDI). پس از بیان ویژگی های کلی کفپوش پلی یورتان به تعریف کلی از این محصول میپردازیم. کفپوش پلی یورتان یک محصول دو جزئی ساخته شده از یک پلی ال (معمولا پایه اتری یا پایه استری) و هاردنر ایزوسیاناتی می باشد. به محصول واکنش این دو جزء پلی یورتان اطلاق میشود. نوع رزین پلی ال و هاردنر ایزوسیانات در خواص نهایی تاثیر مهمی دارد. این کفپوش ها معمولا به صورت ۹۹ درصد جامد (یا بالای ۹۵ % جامد) ارائه می‌شوند. به عبارتی ضخامت اعمال شده با ضخامت حاصل شده نهایی تقریبا یکسان است که این موضوع به استحکام مکانیکی بالا کمک شایانی میکند. یکی دیگر از ویژگی این کفپوش ها بحث خود ترازشوندگی (self-leveling) آنهاست. یک کفپوش پلی یورتان اگر دارای خواص رئولوژیکی مناسب بوده و کشش سطحی نسبتا پایینی داشته باشد باید به راحتی همتراز با سطح شود. ضخامت اجرایی این کفپوش ها معمولا برای کاربری های اداری و آزمایشگاهی حدودا ۱۰۰۰ تا ۲۰۰۰ میکرون و برای پارکینگ های تجاری و سالنهای تولیدات صنعتی سنگین حدود ۳۰۰۰ میکرون است.

پس از ارائه این تعریف کلی از کفپوش پلی یورتان به فرمولاسیون آن می پردازیم. معمولا جزء اول کفپوش پلی یورتان که دارای پلی ال (شامل گروه هیدروکسیل) است به صورت رنگ فرموله شده و جزء دوم که شامل ایزوسیانات (شامل گروه – NCO) است به صورت هاردنر ارائه میشود. در جزء اول، از یک رزین پلی ال پایه اتری یا پایه استری ۱۰۰ جامد استفاده میشود. باید توجه داشت که ویسکوزیته این رزین به اندازه ای پایین باشد که قابلیت جریان پذیری (Flowing) خوب
داشته باشد. واکنش بین پلی ال و ایزوسیانات به صورت زیر میباشد.

 

 

کفپوش پلی یورتان

رزین پلی ال میتواند آکریلاتی، اتری یا استری باشد. پلی ال ها به زنجیرهای پلیمری گفته می شوند که دارای دو یا چند گروه هیدروکسیل (OH) می باشند. نوع پلی ال بکار رفته در پلی یورتان ها تعیین کننده خواص نهایی آن ها می باشد. معمولا پلی ال های بکار رفته در تولید پلی یورتان ها دارای وزن ملکولی بین ۲۰۰ تا ۲۰۰۰ می باشند که بسته به خواص نهایی مورد انتظار از پلی یورتان، انتخاب می شوند . پلی ال های با وزن مولکولی پایین تر معمولا برای تولید پلی یورتان های سخت تر (rigid) استفاده می شوند و پلی ال های با جرم مولکولی بالاتر منجر به تولید پلی یورتان های منعطف تر (flexible) میشوند. همچنین افزایش طول زنجیر و کاهش شاخه های جانبی سبب انعطاف پذیری بیشتر می‌شود. همانطور که ذکر شد در کفپوش پلی یورتان بیشتر از پلی ال اتری یا استری استفاده میشود که توضیح مختصری راجه به آنها داده خواهد شد:

پلی ال های پلی استری (Polyester Polyols):

پلی استرها زنجیرهای با وزن مولکولی بالا هستند که در زنجیر آنها گروه استری تکرار می شود و از واکنش یک اسید کربوکسیلیک دو عاملی با یک الکل دو عاملی حاصل می شوند. پلی استرهای مورد استفاده در صنایع پلی یورتان به روش های مختلفی تهیه می شوند که مهمترین آن ها عبارتند از روش پلی استریفیکاسیونی و پلی کاپرولاکتونی. پلی ال های پلی استری معمولا خواص مکانیکی بالا و خواص سایشی بسیار خوبی دارند که از این نظر برای استفاده در کفپوش ها بسیار مناسب میباشند. از پلی استر پلی ال ها برای ساخت پلی یورتان های هم سخت و هم انعطاف پذیر میتوان استفاده کرد. پلی استر پلی ال ها خواص مکانیکی و مقاومت سایشی بالاتر و مقاومت جوی بهتری دارند و همچنین نسبت به پلی اترها پایداری حرارتی بیشتری دارند.

پلی ال های پلی اتری (Polyether Polyols):

این نوع پلی ال ها معمولا از واکنش پلیمریزاسیونی گروه اپوکسیدالکلین اسید در مجاورت کاتالیست های بازی مانند هیدروکسید سدیم و هیدروکسید پتاسیم تولید می شوند. پلی اتر پلی ال ها بسته به روش تهیه آن ها دو عاملی یا سه عاملی می باشند. از ویژگیهای پلی اتر پلی الها میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
۱- عاملیت هیدروکسیل متنوع از ۲ تا ۸
۲- هزینه پایین‌تر (معمولا) نسبت به پلی استرها
۳- ویسکوزیته پایین‌تر نسبت به پلی استرها (عموما)
۴- مقاومت خوبی در برابر هیدرولیز شدن دارند
یکی از موضوعاتی که درباره پلی الها باید مورد توجه قرار گیرد درصد هیدروکسیل (OH) فعال آنهاست که وارد واکنش میشود. معمولا هر چه درصد OH رزین بیشتر باشد به ایزوسیانات (NCO) بیشتری نیز برای پخت نیاز داشته و کفپوش حاصله سخت تر میشود. برای محاسبه میزان اکی والان پلی ال و هاردنر ایزوسیانات می توان از روابط زیر استفاده کرد:

اکی والان ایزوسیانات:
EW (Isocyanate) = 4200 / %NCO

اکی والان پلی ال (هیدروکسیل):
EW (Hydroxyl) = 1700 / %OH

در این صورت برای مثال اگر ۱۰۰ گرم رزین پلی ال داشته باشیم میزان هاردنر ایزوسیانات (x) مورد نیاز به صورت زیر محاسبه خواهد شد:
EW (resin) / EW (hardener) = 100 / x

از موضوعات مهم دیگر که روی خواص مکانیکی و الاستیسیته پلی یورتان حاصله تاثیر دارد نسبت گروههای ایزوسیانات به هیدروکسیل (NCO/OH) است. معمولا هر چه نسبت NCO/OH بیشتر شود خواص مکانیکی و استحکام کششی افزایش یافته و از طرفی ازدیاد طول و انعطاف پذیری کاهش می‌یابد.

در اینجا مشخصات یکی از رزین های پلی ال استری خوب برای کفپوش های سخت (rigid) را برای آشنایی بیشتر خواننده قرار میدهیم:
درصد جامدات: ۹۹/۶

ویسکوزیته (استوک در دمای ۲۵): ۲۴

عدد اسیدی: ۱/۳

دانسیته: ۱/۰۸

رنگ (گاردنر): ۵/۱

درصد گروه هیدروکسیل: ۶/۵

همچنین مشخصات یک پلی ال استری برای کفپوشهای الاستومری به شکل زیر است:

درصد جامد: ۹۹

ویسکوزیته (استوک در دمای ۲۵): ۲۰

عدد اسیدی: ۱

دانسیته: ۱/۱

رنگ (گاردنر): ۵

درصد گروه هیدروکسیل: ۳/۵

عضو بعدی که در جزء اول بکار میرود دیسپرس کننده می‌باشد. دیسپرس کننده‌ها میتوانند فقط مناسب برای پیگمنت های معدنی، یا آلی یا هر دو باشند. دیسپرس کننده تنش بین سطحی پیگمنت و فیلرها را کاهش داده و سبب پخش بهتر آنها، جلوگیری از ته‌نشین شدن آنها و کاهش زمان اختلاط می‌گردد. برخی دیسپرس کننده‌ها به جریانپذیری بهتر (Flowing) نیز کمک می‌کنند. برخی از تولیدکنندگان برای فام پوشش خود، از خمیر رنگ آماده استفاده می‌کنند که پیگمنت قبلا در آنها باز شده است. اما برخی دیگر از خود پیگمنت استفاده کرده و با عملیات میکس و آسیاب پیگمنت را در حضور دیسپرس کننده مناسب باز می‌کنند. معمولا میزان مصرف دیسپرس کننده مناسب برای پیگمنت سفید و فیلرهای معدنی حدود ۱ تا ۴ درصد مجموع پیگمنت و فیلر هست. این عدد برای باز کردن کربن بلک (دیسپرس کننده آلی مناسب)حدود ۵۰ تا ۱۰۰ درصد وزن کربن بلک است. برای پیگمنت های سبز و آبی آلی حدود ۴۰ تا ۶۰ درصد مجموع پیگمنت است و برای زرد و بنفش و قرمز آلی حدود ۳۰ تا ۷۰ درصد مجموع پیگمنت می‌باشد. اعداد ذکر شده یک محدوده هستند و بسته به نوع پیگمنت و کیفیت و نوع دیسپرس کننده متغیر می‌باشند. یکی دیگر از اجزای فرمولاسیون ضدکف یا ضد حباب (de-aeration) می‌باشد. از آنجاییکه واکنش بین رزین پلی اُل و هاردنر ایزوسیاناتیک واکنش گرمازاست، حین اختلاط و اجرا کفپوش پلی یورتان حباب هوا آزاد میگردد. ضدکف یا ضد حباب‌ها باعث شده که حباب‌های هوا به سطح آمده و با کاهش کشش سطحی، آنها راحت‌تر بترکند. البته این موضوع به رئولوژی کفپوش و جریان‌پذیری و ویسکوزیته پایین آن هم شدیدا وابسته است. این افزودنی معولا بین نیم تا ۲ درصد فرمول اضافه میگردد (این قسمت با کفپوش های اپوکسی مشترک است(.

یکی دیگر از مواد موجود در فرمول افزودنی همترازکننده (Leveling Agent) است. این افزودنی سبب همترازی بهتر، جلوگیری از حفرهای شدن (دهانه آتشفشانی)، جریان پذیری بهتر و خیس کردن خوب زیرلایه می‌باشد. همچنین ممکن است به دلیل کاهش کشش سطحی مقداری نیز به خروج حباب‌های هوا کمک کند. افزودنی های همترازکننده به دو گروه سیلیکونی و غیرسیلیکونی تقسیم میشوند. همتراز کننده غیرسیلیکونی معمولا برای لایه‌های میانی بکار میرود و نوع سیلیکونی آن معمولا برای لایه رویه استفاده می‌شود. این افزودنی عموما بین نیم تا ۲ درصد فرمول اضافه میگردد. معمولا همترازکننده‌های کفپوش پلی یورتان نسبت به سیستم‌های اپوکسی قوی‌تر هستند.

فیلرهای رایج در کفپوش های پلی یورتان

در این قسمت به فیلرهای رایج در کفپوش های پلی یورتان پرداخته می‌شود. پیگمنت در حقیقت بحث فام و پوشش را ایجاد میکنند. پیگمنت سفید همان دی اکسید تیتانیوم است که بارها راجع به آن بحث صورت گرفته است. فیلرهای رایج در کفپوش ها معمولا سیلیس، باریت و تالک هستند که سیلیس و باریت در این بین بیشترین مصرف را دارند. سیلیس به دلیل سختی بالا و مقاومت سایشی بالا مورد استفاده قرار میگیرد. باریت نیز در بین فیلرها جذب روغن کمتری داشته و سبب افت کمتر براقیت می‌شود. رایج‌ترین نوع کاتالیست‌ها برای سیستم‌های پلی یورتان ترکیبات شامل قلع مانند دی بوتیل تین دی لورات (DBTL) می‌باشد. این مواد در اندازه‌های بسیار کم حدود ۰/۰۱ تا ۰/۰۲ درصد مصرف می‌شوند. معمولا آنها را در حلال‌هایی مانند زایلن یا بوتیل استات به نسبت ۱۰% باز می‌کنند و از محلول باز شده استفاده می‌کنند.

جاذب رطوبت‌ها

یکی دیگر از مواردی که در فرمولاسیون کفپوش پلی یورتان استفاده می‌شود جاذب رطوبت‌ها هستند. جاذب رطوبت‌ها یا به صورت Molecular Sieve هستند مانند زئولیت‌ها که مانند اسفنج عمل کرده و رطوبت را جذب می‌کنند. این مواد معمولا خللی با اندازه ۳ یا ۴ آنگستروم دارند. گروه دیگر به نام Moisture Scavenger هستند که با آب واکنش می‌دهند و آن را به دام می‌اندازند مانند Additive TI . ناگفته نماند برای جلوگیری از ورود رطوبت به محصول حین ساخت بهتر است از میکسر خلا استفاده شود که خیلی وقت‌ها در صنعت این اتفاق نمی افتد. وجود رطوبت برای سیستم‌های یورتانی که هاردنر آنها ایزوسیانات است یک سم به حساب میآید. معمولا فیلرها که در جزء اول استفاده می‌شوند در خود دارای رطوبت هستند. یا در صورتی که از مقادیر اندک حلال استفاده شود (گرچه نباید استفاده شود) مقداری رطوبت در حلال وجود دارد. وجود رطوبت در سیستم سبب شده هنگام اضافه کردن جزء دوم (هاردنر)، ایزوسیانات با رطوبت (H2O) واکنش داده و گاز دی اکسید کربن (CO2) آزاد کند. این گاز هنگام خروج روی سطح به صورت حباب باقی ماند و سطح را خراب می‌کند. همچنین در بالک کفپوش نیز باقی مانده و چسبندگی و خواص مکانیکی را کاهش میدهد.
شکل زیر نمونه‌ای از کفپوش اجرا شده بدون جاذب رطوبت و مشکل به وجود آمده را نشان می‌دهد.

به حباب های به دام افتاده توجه نمایید!
درصد استفاده از مواد جاذب رطوبت پودری (Molecular sieve) بسته به رطوبت نسبی مواد و محیط دارد. معمولا این مواد از ۲ تا ۶ درصد بسته به نوع و میزان رطوبت نسبی استفاده می‌شوند. این درصد برای جاذب رطوبتهای Moisture Scavenger (مانند Additive TI) به مراتب کمتر است. در دیتاشیت این مواد معمولا نحوه محاسبه و ترکیب درصد آنها بسته به میزان رطوبت آورده شده است.

جز دوم کفپوش پلی یورتان هاردنر

برای جزء دوم کفپوش های پلی یورتان که به عنوان هاردنر استفاده می‌شود از هاردنرهای ایزوسیاناتی استفاده می‌شود. هاردنر رزین های پلی ال برای تشکیل پلی یورتان ها ایزوسیانات ها هستند. از منظر ساختاری ایزوسیانات ها به دو گروه آلیفاتیک و آروماتیک طبقه بندی می‌شوند. ایزوسیانات های آلیفاتیک مقاومت نوری و UV خوبی دارند و معمولا در پوشش‌های لایه نهایی یا لاک‌های رویه بکار می‌روند. از مهمترین نوع ایزوسیانات های آلیفاتیک میتوان به HDI و IPDI اشاره نموند. ایزوسیانات HDI مخفف hexamethylene diispcyanate و IPDI مخفف Isophorone diisocyanate میباشد. از HDI در مصرف رنگ های صنعتی، رنگ های اتومبیلی، رنگ های هواپیمایی و کفپوش های صنعتی استفاده میگردد. از IPDI نیز در مصارف پوشش های پودری و چسب ها و sealant ها استفاده می‌گردد.

ساختار HDI و ساختار IPDI:

ایزوسیانات های آروماتیک مقاومت نوری خوبی نداشته و تمایل به زرد شده (yellowing) دارند. از مهم‌ترین انواع ایزوسیانات های آروماتیک میتوان به TDI و MDI اشاره نمود. ایزوسیانات TDI مخفف toluene diisocyanate و MDI مخفف Methylenediphenyl diicocyanate می‌باشد. از TDI بیشتر در تولید فوم های انعطاف پذیر استفاده میشود. از MDI بیشتر در مصارف چسب‌ ها، کفپوش ها و آبب‌ندی و درزگیری (sealant) استفاده می‌شود.

ساختار TDI:

ساختار MDI:

 

البته انواع بسیار دیگری از ایزوسیانات ها وجود دارد. اما در بحث کفپوش های پلی یورتان بیشترین مصرف را هاردنر ایزوسیاناتی MDI به صورت ۱۰۰ % جامد دارد. در صورتی که کفپوش مورد استفاده در محیط بیرونی و در معرض UV خورشید باشد باید از ایزوسیاناتهای HDI استفاده نمود. در مورد ایرادات اجرا باید بدینیم که اجرای یک کفپوش پلی یورتان و خوب در آوردن آن به مراتب از اپوکسی سخت تر است و مهمترین عامل رطوبت است که کار را سخت میکند.

خواص و فرمولاسیون کفپوش های پلی یورتان

 

محصولات