Pengenalan: Cat poliuretana (PU) sebagai “tindak balas kimia yang paling tulen”
Poliuretana (Polyurethane/PU) ialah sistem dalam industri cat yang logik “bahan mentah – tindak balas – hasil” paling jelas
– tidak seperti alkyd (pengoksidaan – kompleks/bukan stoikiometri kimia), epoksi (dua komponen – pengeras = poliamina – pelbagai jenis) dan sebagainya – kimia PU hanya mempunyai satu tindak balas teras iaitu isosianat (-NCO) + hidroksil (-OH) – ikatan karbamat (-NH-COO-)
– tiada hasil sampingan (penambahan – bukan pempelombongan – tiada molekul kecil dilepaskan – pengecutan isipadu sangat kecil (>90% – 2K HDI-PU – global – >500,000 tan/tahun) – (2) pembaikan kereta (>95% – poliol akrilik + biuret HDI) – (3) cat kayu (>60% – PU terubah suai alkyd) – (4) lantai (>30% “PU tanpa pelarut” bersaing dengan epoksi) – (5) bilah kipas angin (>100m bilah gergasi – sistem PU/fluorokarbon – rintang cuaca + fleksibel). PU ialah jenis resin cat dengan nilai pengeluaran tertinggi di dunia (>250 bilion yuan – >30% pasaran resin cat) “PU = resin cat – raja”.
Cat poliuretana ialah sejenis sistem cat berasaskan tindak balas pempolimeran penambahan antara isosianat (-NCO) dan poliol (-OH) — di bawah tindakan pemangkin (timah organik/bismut/zink) — yang pada suhu bilik atau suhu rendah (4H/lantai) ke sangat fleksibel (regangan >100%/kulit/kain) iaitu sistem cat yang ”paling boleh direka bentuk”.
I. Perbandingan parameter lengkap bagi empat monomer isosianat utama
| Isosianat | Jenis | Kandungan NCO(%) | Ke meruap (tekanan wap 25°C) | Kereaktifan (relatif) | Ketahanan kuning (QUV/1000hΔE) | Aplikasi tipikal | Harga (yuan/kg) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| TDI (toluena diisosianat) | Aromatik | 48.3 (TDI——2,4 tulen) | Tinggi (>50ppm——beracun/alergen——guna bentuk prapolimer) | Sangat tinggi (NCO aromatik——>10× alifatik) | Lemah (>5/kuning)——dalaman sahaja | Kayu/lantai/industri am (dalaman) | 15-25 (terendah) |
| MDI (difenilmetana diisosianat) | Aromatik | 33.6 (4,4-MDI tulen) | Rendah (<0.1ppm——selamat) | Tinggi (≈TDI——aromatik) | Lemah (kuning)——dalaman/primer | PU elastik/primer anti-kakisan/lantai tanpa pelarut | 20-35 |
| HDI (heksametilena diisosianat) | Alifatik/linear | 49.7 (HDI tulen——>biasanya biuret/trimer——NCO 18-25) | Sederhana-tinggi (>10ppm——prapolimer——biuret kurangkan ke meruap) | Sederhana (alifatik——kereaktifan lemah——perlu pemangkin)—— | Sangat baik (ΔE QUV 2000h) | Varnis OEM auto/pembaikan/aviasi | 80-150 (paling mahal) |
| IPDI (isoforon diisosianat) | Alikik | 37.8 (IPDI tulen——biasanya trimer——NCO 16-20) | Rendah (<1ppm——selamat) | Rendah-sederhana (alikik/halangan sterik——perlu pemangkin kuat——DBTDL) | Sangat baik (rintangan cuaca=HDI——kekerasan lebih baik) | Auto/aviasi/bilah turbin angin——salutan luar | 100-200 (paling mahal——import) |
Soalan Lazim
Q1：TDI——mengapa NCO aromatik mempunyai kereaktifan >10 kali lebih tinggi daripada alifatik?
TDI——cincin benzena——kumpulan isosianat (-NCO) disambung terus pada cincin benzenakesan penarik elektron cincin benzena——menjadikan keelektrofilan atom C NCO meningkat——lebih mudah diserang oleh oksigen nukleofilik —OH
——tenaga pengaktifan tindak balas rendah (ΔG‡≈40-50kJ/mol——lebih rendah >15kJ/mol daripada alifatik)——oleh itu tindak balas TDI dengan —OH——>25°C——>beberapa minit——terus berlaku——tanpa pemangkin——Pot Life<30min. "terlalu cepat——perlu——kawal——pelepasan perlahan——prepolimer——kurangkan tindak balas awal——lanjutkan masa boleh guna". Alifatik (HDI/IPDI)——NCO pada rantai alkilcincin benzena——tiada penarik elektron——keelektrofilan C NCO lemah——tenaga pengaktifan tindak balas tinggi (ΔG‡≈55-65kJ/mol)——tanpa pemangkin——>25°C——>8-24j baru mula bertindak balas——Pot Life>4-8j——tetapi perlu pemangkin (DBTDL——0.01-0.1%——pecut >50 kali——<4j pengerasan)——ini kelebihan "terkawal——kelewatan——letusan——pemangkinan" HDI/IPDI
——berbanding TDI——lakuer jernih PU kereta”Pot Life 2-4j——cukup masa sembur satu kereta——kemudian >80°C/30min——pengerasan sepenuhnya——keluar baris”kawalan halus——tiada tandingan”.
Q2: Mengapakah nisbah setara —NCO/—OH sentiasa NCO>OH (1.05-1.15) dan bukannya “setara” (1.00)?
“Setara” (1.00) — dalam keadaan mutlak ”bebas air — bebas alkohol — bebas amina — vakum — bebas wap air — tertutup rapat” — adalah betultetapi dalam pengeluaran/sebenar pembinaan sebenar — air dalam sistem (air formulasi/air surih pelarut/kelembapan udara — kelembapan pigmen) akan menggunakan —NCO — iaitu ”kerugian tambahan NCO” 1 mol air — menggunakan 2 mol —NCO (2NCO+H₂O→urea — + CO₂↑)” setara — sebenarnya —NCO tidak mencukupi — —OH berlebihan — salutan tidak bersilang lengkap — melekit — rintangan lemah
.”>”NCO/OH=1.05-1.15″ mengimbangi penggunaan air — memastikan —OH bertindak balas sepenuhnya dengan —NCO —> bersilang lengkap” NCO berlebihan — bertindak balas dengan air — menghasilkan urea — urea sendiri memberikan salutan silang tambahan — juga bermanfaat — tetapi — NCO terlalu berlebihan (>1.3) — terlalu banyak NCO bebas dalam salutan — ketoksikan/rintangan air menurun — jadi ”1.05-1.15 — adalah — mengimbangi — silang air/penggunaan air — dan — negatif berlebihan — kompromi optimum — peraturan pengalaman industri’“.
Q3: Pemangkin organotin (DBTDL—dibutyltin dilaurate)—akan diharamkan oleh EU REACH—penyelesaian gantian—kesan dan kos bismut/zink?
DBTDL”pemangkin PU—standard emas—aktiviti sangat tinggi (>0.01% sahaja—pengerasan pagi esok—tanpa pemangkin—pengerasan lambat >10×)—harga rendah (>50 yuan/kg)”tetapi—REACH (2022)—DBTDL—disenaraikan—toksisiti pembiakan (1B)—SVHC—>2025—di EU—had penggunaan—perlu digantikan”. Gantian—(1) bismut organik (Bismuth Neodecanoate/neodekanoat bismut)”aktiviti kira-kira 0.6-0.8× DBTDL (agak lemah—gandakan dos (10× DBTDL”kos meningkat—2-5% kos formulasi keseluruhan”(2) zink (Zn Octoate/oktoat zink)”aktiviti rendah (≈0.3× DBTDL)—perlu tambah dos >3-5 kali—’kelebihan kos—digabung dengan bismut organik—’bismut/zink 1:1—aktiviti meningkat”synergi—>kira-kira 0.75× DBTDL”gabungan terbaik—EU—’pemangkin bismut zink—kini—telah menjadi penyelesaian gantian standard—telah digunakan sepenuhnya dalam lacquer kereta—bertukar sepenuhnya’”.
Q4: PU akueus ”NCO bertemu air—iaitu—rosak—mengapa salutan PU akueus masih wujud?”
PU akueus—dua laluan teknologi utama—(1)”prepolimer—menutup hujung —NCO—menggunakan—MEKO (metil etil ketoksima—NCO tertutup”isosianat terkurung”stabil dalam air—tiada tindak balas—disapu—salutan—>120°C—MEKO terlepas—membebaskan—NCO—bertindak balas dengan poliol”nyahkunci→pengerasan—inilah—prinsip PU akueus komponen tunggal—cat pembakar—industri”(2)—PUD (dispersion poliuretana akueus”telah siap—prapolimer—PU—dipercikkan dalam air—tiada —NCO—PU sepenuhnya—dalam—zarah—’akueus—sepenuhnya—tiada tindak balas—fizikal tulen—filem kering—PU—melekat—membentuk filem—tiada pengerasan kimia—rintangan<dua komponen—tetapi komponen tunggal—selamat—mudah"perabot kayu—'komponen tunggal—PUD—sedang—menggantikan—pelarut—komponen tunggal—PU"ini kerana"PU akueus—2 jenis—kedua-duanya mengelak—air/—NCO"bersemuka secara langsung"menggunakan"pengelakan kimia—prapolimer—dan—penutupan hujung"inilah—kebijaksanaan kimia—PU akueus".
Bacaan berkaitan
Ringkasan
Cat polyuretana—(keaktifan tinggi—aromatik TDI/—kuningan—selamat—lemak HDI/IPDI—empat isosianat utama)+poliol (poliester/polieter/akrilik)—=tidak terkira banyaknya lapisan PU “boleh disesuaikan”—NCO/OH—1.05-1.15 (“pampasan—penggunaan air—penyeberangan lengkap”)—pemangkin “bismut—ganti timah—lebih mesra alam” “PU berasaskan air” pengakhiran—nyahpengakhiran “selamat—mudah”. Kexin New Materials menyediakan set lengkap—HDI—lakuer jernih—akrilik—PU—automotif—kejuruteraan—berdasarkan data NCO/OH—formulasi tepat “untuk setiap NCO dipadankan dengan setiap OH”.