ポリウレタンフォームの基本的な化学反応
ポリウレタンは、ポリウレタンの略語であるPUと呼ばれることもある。その名の通り、イソシアネートとヒドロキシル化合物の反応により形成されるウレタンをその特徴的な鎖状リンクとして命名しています。しかし、実際には、ポリウレタン、特にポリウレタンフォームには多くの化学反応が関与しており、本当に影響力のある主な反応はあまりありません。ポリウレタンの化学反応のほとんどは、イソシアネート中のイソシアネートNCOの化学的性質に関連している。NCOは、ヒドロキシル化合物と反応してカルバメートを形成するだけでなく、他の「活性水素」化合物と反応して異なる化学リンクを形成することもできる。これによりポリウレタンの化学結合構造や材料特性を変化させることができる。
イソシアネートの活性基はイソシアネートNCOである。NCOの電子構造は、強い共鳴効果を有することを示している。通常の反応は、主に炭素・窒素二重結合の付加反応である。活性水素を有する化合物は、まずNCOの窒素原子を攻撃し、活性水素に接続される他の原子がイソシアネートカルボニル基の炭素原子に付加する。活性水素化合物とは、水素原子を金属ナトリウムで置換できる化合物をいい、主に水酸基含有アルコール、アミノ含有アミン、水等を含む。
ポリウレタンの主な反応は、その機能に応じて重合反応、発泡反応、架橋反応に分けることができます。
1. 重合
すなわち、(1)イソシアネートと水酸基の反応
イソシアネートのNCOは、アルコール(通常はポリエーテル、ポリエステルまたは他のポリオール)のヒドロキシルOHと反応してポリウレタンを形成する。
2. 発泡反応
イソシアネートと水の反応
イソシアネートのNCOは水と反応して不安定なカルバミン酸を最初に形成し、その後アミンと二酸化炭素に分解されます。
架橋反応
(3)アロファネート反応及び(4)ビウレット反応を含む
ウレタン基の窒素原子上の水素はイソシアネートのNCOと反応してアロファネートを形成する。ジウレア中のウレア基の窒素原子上の水素がイソシアネートのイソシアネート基と反応してビウレット体を形成する。
上記(3)及び(4)の2つの反応は、いずれも架橋反応である。一般的に言って、反応速度は比較的遅い。無触媒下では、反応は110〜130°Cで行うべきである。 温度が高いほど、反応速度が速くなります。また、アロファネートリンカーやビウレットリンカーはあまり安定ではないため、すなわち(3)と(4)は可逆反応である。
まとめると、PUの塩基性反応には、反応(1)は連鎖伸長反応または重合反応、反応(2)はガス発生反応または発泡反応、反応(3)および(4)は架橋反応の3種類がある。
PUの発泡プロセスでは、これらの反応は比較的高速で同時に行われ、ほとんどの反応は触媒条件下で数分以内に完了することができる。最後に、高分子量かつある程度の架橋度のポリウレタンフォームが形成される。
重合反応および架橋反応は、ポリウレタンフォーム骨格の形成における主な反応であり、これを総称してゲル反応と呼ぶことができる。発泡反応はポリウレタンの体積の増加および中空発泡構造のガス源の形成のための主反応である。
発泡体製造における多くの実際的な問題を含むポリウレタンフォームのすべての配合の開発および調整は、ゲル反応および発泡反応のバランスと不可分である。
