POLİÜRETAN KİMYASI VE MEKANİZMALARI

Kullanılan Hammaddeler ve Slabstock Poliüretan Kimyası
Slabstock teknolojili üretimde kullanılan diizosiyanatlar genellikle TDI
izomerlerinin karışımıdır. Farklı uygulamalara göre 2,4 - Toluen Diizosiyanat ve
2,6 - Toluen Diizosiyanat’ın karışımları kullanılır. Güncel uygulamalara
baktığımızda 80% 2,4 - Toluen Diizosiyanat, 20% 2,6 - Toluen Diizosiyanat
izomerlerinin karışımı öncelikle kullanılmakta olup, bu karışım TDI 80 olarak
adlandırılmaktadır. Sünger üretiminde kullanılan polioller ise üretilecek
süngerlerin özelliğine göre değişmekte olup genellikle OH numarası 25–100 ve
moleküler ağırlığı 1000–6500 aralığında olan polieter poliollerdir.
Kullanılan TDI izomerlerinin yapıları Şekil-2’de görülmektedir.

TDI aktif hidrojen atomu olan maddeler ile reaksiyon vermekte ve bu kapsamda
sünger üretiminde iki ana reaksiyon gerçekleşmektedir. Bunlardan ilki poliol ve
diizosiyanat arasında olup poliüretan yapısını bu reaksiyon oluşturmaktadır. Bu
reaksiyon Jelleşme Reaksiyonu olarak adlandırılır. Genel bir poliüretan
reaksiyonu aşağıda verilmiştir.

İkinci önemli reaksiyon ise TDI ile su arasında gerçekleşmekte olup, bu
reaksiyon sonucu ortaya çıkan CO2 gazı, köpürme olayının gerçekleşmesini
sağlamaktadır. Bu reaksiyon ise Gaz Reaksiyonu olarak isimlendirilir. Örnek bir
gaz reaksiyonu aşağıda görülmektedir.

Poliüretan köpük oluşumu esnasında genel manada oluşan reaksiyonlar
incelendiğinde şu şekilde bir yolun izlendiği söylenebilir.

1. reaksiyon oluşan karbondioksit ile karışımın köpürmesini sağlar. Aynı
reaksiyonda oluşan amin ise içerdiği aktif hidrojen nedeniyle TDI ile reaksiyon
vererek polimer yapısına dahil olur.
2–5 reaksiyonları çapraz bağlı yapıları oluşturarak önce viskozitede artışa, sonra
da jelleşmiş polimerin oluşumuna neden olur. Reaksiyon 3 ve 5 çapraz bağlı yapı
sayısını artırır, bunun sonucu olarak da son ürünün fiziksel özelliklerinin
belirlenmesinde rol oynar.
Bahsedilen bu kimyasal reaksiyonların hız sabitleri üretim yapmak için yeterli
değerlerde değildir. Bu nedenle reaksiyonları hızlandırmak amacı ile bu
reaksiyonlar üzerinde etki yapacak katalizörler kullanılmaktadır. Gaz reaksiyonu
üzerinde etkili olan birçok katalizör olmasına rağmen, istenilen özellikte etkiyi
Tertiary Aminler (bundan sonra Amin diye anılacaktır) diye bilinen 3. derecede
amin içeren yapılar kullanılır. Jelleşme reaksiyonu üzerinde katalizör etki ise en
iyi Kalay içeren organometalik katalizörler (bundan sonra Kalay diye anılacaktır)
ile sağlanabilmektedir.
Esnek poliüretan köpük, jelleşme reaksiyonu ile gaz reaksiyonunun birlikte
ilerlemesi ile ortaya çıkan yapıdır. Oluşumun ilk safhasında gaz reaksiyonu ile
jel reaksiyonu birlikte ilerler ve karışım köpürmeye başlar, belli bir süreden
sonra ise jelleşme reaksiyonu sonucunda oluşan çapraz bağlı yapılar, yüksek
mukavemetli hale gelir, artık köpürme gerçekleşemez ve blok belli bir
yüksekliğe ulaştıktan sonra sabit kalır. Gaz reaksiyonu tarafından oluşturulan
CO2 gazı, oluşan açık hücreli yapılar arasından ilerleyerek köpüğü terk eder.
Sünger üretiminde en önemli kriter gaz reaksiyonu ile jelleşme reaksiyonun
hızlarının optimum noktada tutulmasıdır. Eğer gaz reaksiyonu çok hızlı
gerçekleşir ise, karışım istenilen mukavemeti sağlayacak yapıya gelmeden,
oluşan CO2 yapıdan uzaklaşacak ve yapı içerisinde büyük yarıklar ve çökme
meydana gelecektir. Eğer jelleşme reaksiyonu çok hızlı gerçekleşir ise, oluşan
CO2 sistemi terk ederken, yerine havanın girmesine fırsat kalmadan yüksek
mukavemetli, çapraz bağlı polimerik yapılar oluşacak ve sünger istenilen
gözenekli özelliğe kavuşamayacaktır. Üretim sırasında büzüşme gerçekleşecek,üretilen yapı hava geçirgenliğine ve esnekliğe sahip olmayan bir özellikte ortaya
çıkacaktır.

Yukarıda belirtilen sorunların yaşanmaması ve ürünün istenilen özelliklere sahip
olması için gaz ve jelleşme reaksiyonları Amin ve Kalay katalizörlerinin türleri
ve formülasyonlar içerisindeki oranları ile istenen hızlara ulaştırılır. Formülasyon
geliştirme çalışmaları sırasında üzerinde en çok zaman harcanan konu katalizör
oranlarının optimum seviyeye getirilmesidir.
Katalizörler dışında sünger üretiminde en çok önem arz eden hammadde ise
yüzey aktif silikon katkılardır. Bu katkıların reaksiyon kinetikleri üzerindeki
etkileri henüz tam olarak netleşmemekle beraber iki önemli etkide bulunduğu
bilinmektedir. Bunlardan ilki, köpük oluşumu sırasında yükselen reaksiyon
karışımının istenilen dayanıklılıktaki yapı oluşuna kadar çökmeden durabilmesi
için gerekli mukavemeti sağlamasıdır. İkinci önemli özelliği ise oluşan gazların
yapıyı terk etmesini kolaylaştırarak açık gözenekli ve hava geçirgenliğine sahip
özellikte sünger oluşumuna pozitif etki yapmasıdır. Üretilmesi planlanan sünger
tiplerine göre farklı türleri olan silikonlar, yanlış kullanıldığında köpük önleyici
etki yapabilmektedirler. Silikonların reaksiyon karışımının homojen bir yapıya
gelmesinde de olumlu etki yaptıkları bilinmektedir.
Esnek poliüretan köpük üretiminde kullanılan bir başka hammadde ise, köpük
yoğunluğunu düşürmek üzere ortama eklenen düşük kaynama noktasına sahip
şişirici ajanlardır. Şişirici ajan türlerine baktığımızda uzun yıllar
kloroflorokarbonların (CFC) kullanıldığı görülmektedir. Bu tip maddelerin
çevreye olan olumsuz etkileri nedeni ile terk edildiği ve artık genellikle Metilen
Klorit kullanıldığı görülmektedir. Bunun yanında üretim teknolojisindeki
gelişmeler ile birlikte, sıvı CO2’nin şişirici ajan olarak kullanıldığı sistemler
ortaya çıkmaya başlamıştır.

İstenilen sünger özelliğine göre, yanmazlık gibi farklı katkılar
kullanılabilmektedir. Tablo-1’de sünger üretiminde kullanılan ana maddeler ve
kullanım amaçları özetlenmiştir.