โพลียูรีเทน (Polyurethanes) คือ สารพอลิเมอร์ชนิดหนึ่ง เกิดจากการทำปฎิกิริยากันของสารเคมีหลัก 2 ชนิดด้วยกัน ซึ่งก็คือ โพลีออล (Polyol) กับ ไดไอโซไซยาเนต (Diisocyanate) นิยมเรียกชื่อย่อว่า พียู (PU) หรือ พียูอาร์ (PUR)
อาจจะมีการเติมสารเร่งปฎิกิริยา (Catalysts) เข้าไปเพื่อให้เกิดการทำปฏิกิริยาที่เหมาะสม หรือเร่งปฏิกิริยาให้รวดเร็วขึ้น และสารเพิ่มประสิทธิภาพต่างๆ (Additives) เพื่อให้ได้คุณสมบัติตามต้องการ
ในปัจจุบัน โพลียูรีเทนได้ถูกใช้ในหลากหลายกลุ่มอุตสาหกรรม ตัวอย่างของชนิด และ ประเภทของโพลียูรีเทนแบ่งตามลักษณะทางกายภาคของผลิตภัณฑ์ อาทิเช่น
ชนิดของพียูโฟม
โฟมยืดหยุ่น (Flexible foam) โฟมชนิดนี้โพลิเมอร์เมทริกซ์จะมีอุณหภูมิสภาพแก้ว (glass transition temperature : T) ที่ต่ำ มีลักษณะอ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และคืนตัวเมื่อถูกกดได้ง่าย เช่น โฟมพอลิไวนิลคลอไรด์ชนิดมีสารเสริมสภาพพลากติก (plasticized Polyvinyl Chloride ; PPVC) โฟมยูริเทนยืดหยุ่น (Polyurethane Elastomer) และ โฟมยาง (elastomeric foam) เป็นต้น ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ในกลุ่มนี้ อาทิเช่น เฟอร์นิเจอร์ในครัวเรือน , เตียงนอน , เบาะรถยนต์ , เบาะรองนั่ง , วัสดุเคลือบผิวสิ่งทอ เป็นต้น
โฟมชนิดแข็ง (Rigid foam) โฟมชนิดนี้มีลักษณะที่แข็ง ไม่คืนตัวเมื่อถูกกด หรือบีบ เช่น โฟมฟีนอลิก (phenolic foam) , โฟมโพลิโอเลฟิน (polyolefin foam) , โฟมโพลิยูริเทนชนิดแข็ง (rigid polyurethane foam) , โฟมโพลิคาร์บอเนต (polycarbonate foam) และโฟมโพลิสไตริน (polystyrene foam) เป็นต้น ตัวอย่างของผลิตภัณฑ์ในกลุ่มนี้ อาทิเช่น ฉนวนกันความร้อน และความเย็น ในอุตสาหกรรมก่อสร้าง , ถังเก็บความเย็น , งานหุ้มฉนวนท่อ , ฉนวนตู้เย็น , ทุ่นลอย และอุปกรณ์ลอยน้ำ, บรรจุภัณฑ์
นอกจากนี้ยังมีโฟมอีกชนิดที่ผสมผสานคุณสมบัติระหว่าง Rigid foam และ Flexible foam คือ โฟมชนิดกึ่งแข็ง (Semi-Rigid foam) เพื่อวัตถุประสงค์ในการใช้งานที่หลากหลายแตกต่างกันออกไป
โฟมแบบมีผิวในตัว (Integral skin) โฟมชนิดนี้จะมีผิวภายนอกเป็นลวดลายต่างๆ (texture) ตามลักษณะของแม่พิมพ์ได้เลย วัตถุประสงค์เพื่อต้องการโชว์ผิวของผลิตภัณฑ์ ในขณะเดียวกันก็ต้องการคุณสมบัติความนุ่มและยืดหยุ่มของโฟม ตัวอย่างผลิตภัณฑ์ในกลุ่มนี้อาทิเช่น พวงมาลัยรถยนต์, แผงคอนโซลรถยนต์, ที่พักแขน และวัสดุตกแต่งต่างๆภายในรถยนต์ , ส่วนประกอบของเฟอร์นิเจอร์ เป็นต้น
โพลียูรีเทน ถูกคิดค้นขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1930 โดย ศาสตราจารย์ ดร. อ๊อตโต้ เบเยอร์ (Professor Dr. Otto Bayer) ซึ่งชนิดของโพลียูรีเทนนั้นมีด้วยกันหลากหลายประเภท ถูกนำไปใช้ในหลากหลายอุตสาหกรรม ตั้งแต่ใช้เป็นสารเคลือบ ใช้เป็นวัสดุประสาน ไปจนถึงพื้นรองเท้า ที่นอน และฉนวนโฟม อย่างไรก็ตามเคมีพื้นฐานหลักของโพลี่ยูริเทนแต่ละประเภทมีความเหมือนกัน
มีการใช้โพลียูรีเทนอย่างแพร่หลายในช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง เพื่อนำมาใช้ทดแทนยางธรรมชาติ ซึ่งในขณะนั้นมีราคาแพง และหาได้ยาก ในช่วงสงครามมีการพัฒนารูปแบบการใช้งานของโพลี่ยูริเทน โดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการเคลือบผิวต่าง ๆ ตั้งแต่การเคลือบผิวเครื่องบิน ไปจนถึงการเคลือบผิวเสื้อผ้าให้มีความคงทนยิ่งขึ้น
ในช่วงทศวรรษที่ 1950 โพลียูรีเทนถูกนำมาใช้งานในลักษณะเป็นวัสดุประสาน อีลาสโตเมอร์ และโฟมแข็ง ต่อมาในช่วงหลังของทศวรรษเดียวกัน ได้ถูกนำมาใช้เป็นโฟมกันกระแทกที่ยืดหยุ่นได้ (Flexible cushion foams) แบบเดียวกับที่เราเห็นในทุกวันนี้
โพลียูรีเทนโฟม ถูกใช้อย่างแพร่หลายในภาคอุตสาหกรรม กรรมวิธีการผลิต และอุปกรณ์ แตกต่างกันออกไปตามแต่ละชนิดของโฟม ซึ่งส่วนที่มีลักษณะเหมือนกันก็คือการใช้สารเคมีหลัก 2 ชนิด ดังที่เกริ่นไปแล้วขั้นตั้น คือ โพลีออล (Polyol) กับ ไดไอโซไซยาเนต (Diisocyanate) ผสมกันตามอัตราส่วน สารเคมีทั้งสองชนิดจะเริ่มทำปฎิกิริยากันจนเปลี่ยนสถานะจากของเหลว เป็นโฟม และขยายตัว
ในกระบวนการผลิตโฟลียูริเทนโฟม มีทั้งแบบการผลิตที่ต่อเนื่อง (Continuous line) เช่นการผลิตโฟมก้อน ฉนวนต่างๆ และ แบบฉีดโฟมเข้าแม่พิมพ์ (PU injection) เช่น โฟมเบาะรถยนต์ โฟมกันกระแทกรูปทรงต่างๆ ขึ้นอยู่กับว่าผลิตภัณฑ์ที่ต้องการคืออะไร สามารถอธิบายเป็นขั้นตอนการผลิตได้ 3 ขั้นตอนดังนี้
เครื่องฉีดโพลียูรีเทนโฟม ที่มา : hennecke.com
การทำปฏิกิริยาของพอลิเมอร์ (Polymer reaction)
ในขั้นตอนเริ่มต้นของการผลิตโพลียูริเทนโฟม วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิต จะถูกเติม เข้าไปในถังสแตนเลสของเครื่องฉีดโฟม ซึ่งโดยปกติเครื่องทั่วๆไปจะมีถังเก็บวัตถุดิบลักษณะนี้อย่างน้อย 2 ถัง เพื่อใช้ในการเติม โพลิออล (Polyol) และ ไดไอโซไซยาเนต (Diisocyanate) ในรูปแบบของเหลวเข้าไปเก็บเอาไว้ในถัง โดยที่ภายในถังจะมีการควบคุมอุณภูมิของของเหลวให้อยู่ที่มาตรฐาน โดยปกติจะอยู่ที่ 25 °C และมีใบกวนสารเคมีที่อยู่ในถังให้เกิดการหมุนเวียน (Circulate) อยู่ตลอดเวลา ซึ่งจะมีการควบคุมอุณหภูมิ และความชื้น อย่างเข้มงวด เพื่อให้สารเคมีพร้อมใช้อยู่ตลอดเวลา และการทำปฎิกิริยาของสารเคมีสมบูรณ์
การจ่ายสารเคมีออกจากถังจะจ่ายผ่านปั้มจ่ายสารเคมีอัตโนมัติ (metering pump) เพื่อให้สารเคมีออกมาในแต่ละครั้งตามอัตราส่วนที่กำหนด ซึ่งอัตราส่วนทั่วไป ของโพลีออล ต่อ ไดไอโซไซยาเนตคือ 1: 2 (ขึ้นอยู่กับสูตรการผลิต)
ขั้นตอนที่สอง สารเคมีในรูปแบบของเหลวจะถูกส่งผ่านเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน (heat exchanger) อุณหภูมิจะถูกปรับไปยังระดับที่สารเคมีพร้อมทำปฎิกิริยา ภายในท่อจะเกิดปฎิกิริยาพอลิเมอไรเซชั่น (polymerization reaction) เมื่อของเหลวทั้งสองชนิดไปถึงปลายท่อ ก็จะพร้อมเกิดเป็นโพลียูรีเทนโฟม
ขั้นตอนที่สุดท้าย โพลียูรีเทนโฟมจะถูกจ่ายออกผ่านหัวจ่าย (Dispensing head) เข้าไปที่แบบ หรือแม่พิมพ์ (โดยส่วนมากที่นิยมใช้กันจะเป็นแม่พิมพ์อลูมิเนียม ควบคุณอุณหภูมิผิวแม่พิมพ์อยู่ที่ 40°C – 60°C ) กรณีที่เป็นการผลิตแบบฉีดโฟมเข้าแม่พิมพ์ (PU injection) จะมีการเตรียมความพร้อมป้องกันโฟมที่ฉีดออกมาติดผิวแม่พิมพ์ โดยการพ่นหรือทา น้ำยาถอดแบบสำหรับโพลียูรีเทน (Mold release agents for PU) ที่ผิวของแม่พิมพ์ เพื่อให้สามารถปลดงานออกจากแม่พิมพ์ได้โดยง่าย ชิ้นงานไม่เสียรูป หลังจากโฟมเซ็ตตัวเรียบร้อย
เพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพของวัตถุดิบที่ใช้ผลิตโพลียูรีเทน ผู้ผลิตจะตรวจสอบผลิตภัณฑ์ในทุกขั้นตอนของการผลิต การตรวจสอบเหล่านี้เริ่มต้นด้วยการประเมินวัตถุดิบที่เข้ามาโดยกระบวนการ material incoming โดยการทดสอบลักษณะทางเคมีและกายภาพต่างๆโดยใช้วิธีการที่กำหนด คุณลักษณะบางอย่างที่ผ่านการทดสอบ ได้แก่ ค่า pH ความถ่วงจำเพาะ และความหนืด นอกจากนี้อาจตรวจสอบลักษณะสีและกลิ่นด้วย
ก่อนเริ่มการผลิตนิยมทำการทดสอบด้วยวิธี cup test โดยการสุ่มตัวอย่างวัตถุดิบที่จะใช้ในการผลิต batch นั้นๆ มาทำการทดสอบ เช็คการทำปฎิกิริยาของสารเคมี เพื่อให้มั่นใจในคุณภาพของวัตถุดิบก่อนเริ่มผลิต
หลังจากการผลิตออกมาเป็นผลิตภัณฑ์ จะได้รับการทดสอบคุณสมบัติของผลิตภัณฑ์หลังจากผลิตอีกครั้ง โดยอาจจะเป็นการสุ่มตรวจ (Sampling test) จากล๊อตการผลิต เป็นการทดสอบคุณสมบัติต่างๆตามข้อกำหนดของผลิตภัณฑ์ ยกตัวอย่างเช่น ความยืดหยุ่น , ความสามารถในการดูดซับเสียง (Sound absorption), ความหนาแน่น , air flow , elongation , tensile strength test เป็นต้น