Lịch sử phát triển bọt polyurethane (PUR)

Con lăn PU máy bào bốn mặt

Nguyên liệu cơ bản cho bọt polyurethane là polyisocyanate, polyol, chất tạo bọt, xúc tác, và chất hoạt động bề mặt. Ban đầu, bọt polyurethane là loại polyester, nhưng sau những năm 1960, bọt loại polyether polyol chiếm đa số, cả bọt mềm và cứng. Tổng quan lịch sử phát triển của ngành bọt urethane như sau.

Giai đoạn 1: quy trình phản ứng một giai đoạn giữa polyester có nhóm carboxyl cuối mạch với TDI. Dựa trên phản ứng giữa các nhóm isocyanate và các nhóm carboxylic sinh ra khí CO₂. Polymer tạo thành là polyamide, không phải polyurethane. Một phản ứng mẫu được thể hiện bên dưới:

Giai đoạn 2: Quy trình hai giai đoạn gồm (a) chuẩn bị toluene diisocyanate (TDI) polyester và (b) phản ứng prepolymer – nước. Quy trình này giảm vận tốc phản ứng và dẫn đến quá trình tạo bọt êm dịu.

Giai đoạn 3: Quy trình hai giai đoạn gồm sự chuẩn bị prepolymer polyether polyol – TDI và phản ứng prepolymer – nước tạo khí CO₂. Quy trình tăng tính ổn định cho sự nở bọt của bọt dẻo loại polyether.

Giai đoạn 4: Phản ứng tạo bọt một giai đoạn giữa polyether polyol và TDI với sự có mặt của nước là chất tạo bọt. Sự xuất hiện lần đầu tiên của xúc tác đặc biệt (triethyl diamine hoặc DABCO) cùng với việc dùng các chất hoạt động bề mặt silicone làm cho quy trình một giai đoạn này có thể thực hiện. Tuy nhiên, việc dùng DABCO làm xúc tác riêng lẻ là rất đắt. Vì vậy để tiết kiệm chi phí, DABCO được thay thế một phần bởi sử dụng kết hợp xúc tác thiếc và xúc tác amine bậc ba. Quy trình polyether một giai đoạn có những ưu điểm đáng kể cả về chi phí và quy trình, vì vậy nó được dùng rộng rãi như quy trình chuẩn cho bọt dẻo và cứng.

Giai đoạn 5: Sử dụng kết hợp một chất tạo bọt vật lý, CFC-11, và một chất tạo bọt hóa học. Vào năm 1963, sáng chế của Frost đã phát hiện việc dùng trichloromonofluoromethane, CCl₃F, (điểm sôi 23.8^oC) làm chất tạo bọt vật lý cho cả bọt dẻo và cứng. CCl₃F được xem như là chất tạo bọt lý tưởng nếu không xét tác động đến tầng ozone.

Giai đoạn 6: Lệnh cấm các chất Chlorofluorocarbon (CFCs). Vào năm 1987, nghị định thư Montreal được ban hành, sự sản xuất và sử dụng CCl₃F bị cấm để loại bỏ nguy cơ phân hủy ozone. Lệnh cấm đã có tác động nghiêm trọng lên ngành bọt urethane và dẫn đến sự phát triển của các chất tạo bọt thay thế. Các chất tạo bọt vật lý thay thế gồm C₅-hydrocarbon (pentane, C₅H₁₂; điểm sôi 35°C), isopentane (2-methylbutane, C₂H₅CH(CH₃)₂; điểm sôi 30°C), cyclopentane (C₅H₁₀; điểm sôi 50°C), và hydrofluorocarbon (HFCs), ví dụ, HFC-245 fa (CF₃CH₂-CHF₂; điểm sôi 15.3°C) và HFC-365mfc (CF₃CH₂-CF₂CH₃, điểm sôi 40°C). CO₂ lỏng và đá khô cũng được sử dụng làm chất tạo bọt vật lý. Nước là chất tạo bọt lâu đời nhất, giờ được xem là chất tạo bọt hóa học tiêu biểu cho cả bọt urethane dẻo và cứng.