
Poliuretan berada dalam kelas senyawa yang disebut
polimer reaksi, termasuk juga epoksi,
poliester tak jenuh, dan fenol.
[4][5][6][7][8] Sebuah rangkaian uretan dihasilkan dengan mereaksikan satu gugus isosianat, -N=C=O dengan satu gugus
hidroksil (
alkohol),
-OH. Poliuretan dihasilkan oleh reaksi poliadisinya sebuah
poliisosianat dengan sebuah polialkohol (poliol) dalam kehadiran sebuah
katalis dan zat aditif yang lain. Dalam kasus ini, polisosianat
merupakan molekul dengan dua atau lebih gugus fungsional isosianat,
R-(N=C=O)
n ≥ 2 sedang poliol adalah molekul dengan dua atau lebih gugus fungsional hidroksil, R'-(OH)
n ≥ 2.
Produk reaksi adalah sebuah polimer yang mengandung rangkaian uretan,
-RNHCOOR'-. Isosianat akan bereaksi dengan apapun molekul yang
mengandung satu hidrogen aktif. Di samping bereaksi dengan air untuk
membentuk rangkaian urea dan gas
karbon dioksida;
isosianat bereaksi pula dengan polieteramina untuk membentuk poliurea.
Secara komersial, poliuretan diproduksi dengan mereaksikan isosianat
cair dengan campuran cairnya poliol,
katalis,
dan zat tambahan yang lain. Dua komponen itu mengacu pada sebuah sistem
poliuretan. Campuran ini disebut pula 'resin' atau 'campuran resin'.
Beberapa contoh dari zat tambahan campuran resin adalah pemanjang
rantai, pertautan silang, surfaktan, penghambat nyala, bahan pembusa,
pigmen, dan bahan pengisi.
Komponen penting pertamanya polimer poliuretan adalah isosianat.
Molekul yang mengandung dua gugus isosianat disebut diisosianat. Molekul
tersebut juga dikaitkan dengan
monomer
sebab digunakan untuk menghasilkan isosianat polimerik yang mengandung
tiga atau lebih gugus fungsional isosianat. Isosianat dapat digolongkan
sebagai aromatik, seperti difenilmetana diisosianat (MDI) atau toluena
diisosianat (TDI); atau
alifatik,
seperti heksametilena diisosianat (HDI) atau isoforon diisosianat
(IPDI). Salah satu contoh dari isosianat polimerik adalah difenilmetana
diisosianat polimerik, yang merupakan campuran molekul dengan dua-,
tiga-, dan empat- atau lebih banyak gugus isosianat, dengan
fungsionalitas rata-rata 2,7. Isosianat bisa lebih jauh dimodifikasi
dengan mereaksikan sebagian dengan sebuah poliol untuk membentuk sebuah
prapolimer. Kuasi-prapolimer terbentuk saat rasio
stoikiometrinya
isosianat ke gugus hidroksil lebih besar daripada 2:1. Sebuah
prapolimer sejati terbentuk saat rasio stoikiometrinya 2:1.
Karakteristik pentingnya isosianat adalah tulang punggung molekulnya, %
kandungan NCO, dan
viskositas.
Komponen penting keduanya polimer poliuretan adalah poliol. Molekul
yang mengandung dua gugus hidroksil disebut diol, molekul dengan tiga
gugus hidroksil disebut triol, dll. Dalam prakteknya, poliol dibedakan
dari rantai pendek atau pemuai rantai glikol dengan berat molekul yang
rendah dan pertautan silang (cross linker) seperti etilena glikol (EG),
1,4-butanadiol (BDO), dietilena glikol (DEG), gliserin, dan trimetilol
propana (TMP). Poliol juga termasuk polimer. Poliol dibentuk oleh adisi
berkatalis basanya propilena oksida (PO), etilena oksida (EO) ke sebuah
inisiator yang mengandung hidroksil atau amina, atau dengan
poliesterifikasinya sebuah di-acid, seperti
asam adipat,
dengan glikol, seperti etilena glikol atau dipropilena glikol (DPG).
Poliol diperpanjang dengan PO atau EO merupakan poliol polieter. Poliol
yang dibentuk dengan poliesterifikasi adalah poliol
poliester.
Baik inisiator yang digunakan, pemuai, serta berat molekulnya poliol
sangat memengaruhi keadaan fisik dan sifat fisiknya polimer poliuretan.
Karakteristik poliol yang penting adalah tulang belakang molekul,
inisiator, berat molekul, % gugus hidroksil utama, fungsionalitas, dan
viskositas.
Reaksi
polimerisasi dikataliskan dengan
amino, seperti dimetilsikloheksilamina, dan senyawa
organologam,
seperti dibutiltin dilaurat atau bismut oktanoat. Lebih jauh lagi,
katalis bisa dipilih berdasarkan reaksi uretan (gel), seperti
1,4-diazabisiklo[2.2.2]oktana (yang disebut pula
DABCO
atau TEDA), atau reaksi urea (tiup), seperti bis-(2-dimetilaminoetil)
eter, atau secara spesifik mengendalikan reaksi trimerisasi isosianat,
seperti potassium octoate.
Salah satu sifat poliuretan yang disukai adalah kemampuannya diubah
menjadi busa. Bahan pembusa seperti air, halokarbon tertentu seperti
HFC-245fa (1,1,1,3,3-pentafluoropropana) serta HFC-134a
(1,1,1,2-tetrafluoroetana]]), dan hidrokarbon seperti n-pentana, bisa
ditambahkan sebagai arus bantu. Air bereaksi dengan isosianat untuk
menciptakan gas
karbon dioksida,
yang mengisi dan mengembangkan sel yang diciptakan dalam proses
pencampuran. Reaksinya merupakan proses tiga langkah. Molekul air
bereaksi dengan gugus isosianat untuk membentuk asam karbamat. Asam
karbamat tidak stabil, dan penguraiannya membentuk karbon dioksida dan
sebuah amina. Amina bereaksi dengan lebih banyak isosianat untuk
menghasilkan sebuah urea buatan. Air memiliki
berat molekul
yang amat rendah, jadi meski persen beratnya air kecil, perbandingan
molarnya air tinggi dan menghasilkan urea berjumlah banyak. Urea
tersebut tidak sangat mudah larut dalam campuran reaksi dan cenderung
membentuk fase "segmen keras" terpisah sebagian besar terdiri dari
poliurea. Konsentrasi serta organisasi dari fase poliurea memiliki
dampak yang signifikan bagi sifatnya busa poliuretan.
[9] Halokarbon dan hidrokarbon dipilih sebab memiliki
titik didih pada atau mendekati
suhu kamar.
Karena reaksi polimerisasi bersifat isotermik, bahan pembusa ini
menguap menjadi gas saat proses reaksi berlangsung. Keduanya mengisi dan
memuaikan matriks polimer seluler, menciptakan sebuah busa. Penting
diketahui bahwa gas tiup tidak menciptakan sel busa. Sel busa merupakan
hasil gas tiup yang tercampur baur ke dalam gelembung yang diaduk ke
dalam sistem di waktu pencampuran. Kenyataannya, busa mikroseluler
berdensitas tinggi bisa dibentuk tanpa penambahan bahan tiup dengan
pembuihan secara mekanis komponen poliol sebelum digunakan.
Surfaktan digunakan untuk memodifikasi karakteristik polimer dalam proses pembusaan. Surfaktan digunakan untuk meng
emulsi
komponen cair, mengatur ukuran sel, dan mengstabilkan struktur sel
untuk mencegah keruntuhan dan cacat permukaan. Surfaktan busa yang kaku
dirancang untuk menghasilkan sel yang baik dan kandungan sel yang sangat
tertutup. Surfaktan busa yang fleksibel dirancang untuk mengstabilkan
massa reaksi sambil memaksimalkan kandungan sel terbuka untuk mencegah
busa dari mengecil. Kebutuhan akan surfaktan bisa dipengaruhi oleh
pilihan isosianat, poliol, kompatibilitas komponen, reaktivitas sistem,
perlengkapan serta kondisi proses, piranti, bentuk bagian, dan bobot
tembakan.