Polyurethane là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Polyurethane

Polyurethane (PU) là một loại polymer đa khối đa năng, được tạo thành từ phản ứng hóa học giữa diisocyanate và polyol. Khung polymer chứa các liên kết urethane (–NH–CO–O–) lặp lại, mang lại tính đàn hồi, độ bền cơ học và khả năng chống hóa chất vượt trội so với nhiều polymer khác. PU có thể biến đổi linh hoạt từ những vật liệu mềm dẻo đến cứng chắc, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ngành công nghiệp và tiêu dùng.

Lần đầu tiên Otto Bayer và các cộng sự tổng hợp PU tại Đức năm 1937, mở ra kỷ nguyên phát triển nhanh chóng của vật liệu này. Nghiên cứu ban đầu tập trung vào foam cứng cách nhiệt và foam mềm đệm ngồi, sau đó mở rộng ra elastomer, keo dán, lớp phủ và nhiều ứng dụng chuyên biệt khác. Kể từ giữa thế kỷ 20, PU trở thành một trong những polymer tiêu thụ rộng nhất trên thế giới.

Sản lượng PU toàn cầu đạt khoảng 18–20 triệu tấn mỗi năm, giá trị thị trường ước tính trên 50 tỷ USD. PU chiếm vai trò then chốt trong các ngành xây dựng (vật liệu cách nhiệt, tấm panel), ô tô (đệm ghế, lót sàn), đồ gia dụng (nệm, gối), điện tử (độ bền cao, cách điện) và y tế (vật liệu cấy ghép, ống catheter). Tính linh hoạt của công thức cho phép điều chỉnh tính chất vật lý, hóa học, dẫn đến khả năng thiết kế sản phẩm phù hợp yêu cầu kỹ thuật và môi trường.

Cấu trúc hóa học và thành phần

Diisocyanate là thành phần phản ứng chính, bao gồm MDI (Methylenediphenyl diisocyanate), TDI (Toluene diisocyanate) và HDI (Hexamethylene diisocyanate). MDI phổ biến trong foam cứng nhờ phản ứng chậm, tạo bọt kiểm soát tốt; TDI thích hợp cho foam mềm đệm ngồi do phản ứng nhanh; HDI chủ yếu dùng cho lớp phủ và sơn PU nhờ tính chống nước và tia UV cao.

Polyol có hai nhóm chính: polyether và polyester. Polyether polyol mang lại độ bền cơ học và sự chịu ẩm tốt, trong khi polyester polyol cải thiện khả năng chịu nhiệt và kháng hoá chất. Tỷ lệ giữa diisocyanate và polyol (tỷ số NCO/OH) quyết định độ cứng, độ đàn hồi và thời gian đóng rắn của PU.

• Sn(Oct)₂: Chất xúc tác phổ biến, tăng tốc phản ứng urethane.
• Chất tạo bọt: Pentane, CO₂ tạo cấu trúc foam đa ô kín hoặc mở.
• Phụ gia khác: Chất chống ăn mòn, UV stabilizer, chất tạo màu.

Phương pháp tổng hợp

Phản ứng chính là phản ứng step-growth giữa nhóm isocyanate (–NCO) và hydroxyl (–OH) tạo liên kết urethane. Tỷ lệ mol giữa hai nhóm quyết định cấu trúc mạng lưới polymer và tính chất cuối cùng. Công thức cơ bản:

$\mathrm{n\,R\!-\!NCO + n\,R'\!-\!OH \rightarrow [-R\!-\!NH\!-\!CO\!-\!O\!-\!R']_n}$

Foam cứng (rigid) và foam mềm (flexible) được điều khiển bằng việc chọn polyol với phân tử lượng và cấu trúc khác nhau, đồng thời điều chỉnh lượng chất tạo bọt và nhiệt độ phản ứng. Elastomer PU được chế tạo bằng cách giảm chất tạo bọt, tăng khối lượng phân tử polyol, và sử dụng phụ gia cải thiện độ bền kéo.

• Phương pháp in-situ: Trộn diisocyanate và polyol trực tiếp tại công trường (xây dựng, cách nhiệt).
• Pre-polymer: Tạo prepolymer NCO-terminated, sau đó phản ứng với polyol hoặc chain extender để kiểm soát thời gian đóng rắn.
• Reaction injection molding (RIM): Phun hỗn hợp ở áp suất cao vào khuôn, sản xuất chi tiết ô tô, linh kiện kỹ thuật.

Tính chất vật lý và hóa học

Mật độ foam PU dao động từ 30 đến 120 kg/m³ đối với foam mềm, và 30 đến 80 kg/m³ đối với foam cứng. Shore hardness của elastomer PU nằm trong khoảng 60A–90A, hoặc 40D–70D tùy công thức. PU chịu được nhiệt độ từ –40 °C đến +120 °C, với các loại đặc biệt chịu tới +150 °C.

PU thể hiện độ bền kéo từ 5 đến 50 MPa và độ giãn dài tới đứt 200–800 %, phụ thuộc cấu trúc polyol và tỷ lệ crosslink. Khả năng chống hóa chất ở mức tốt với dung môi cực mềm (ethyl acetate), axit loãng, kiềm nhẹ; giảm kháng khi tiếp xúc với xăng dầu và dung môi clorinated mạnh.

Phân loại Polyurethane

Polyurethane được phân thành nhiều loại chính dựa trên cấu trúc mạng lưới polymer, tính chất cơ học và ứng dụng cuối:

• Foam cứng (Rigid PU): Mạng lưới crosslink cao, hệ số dẫn nhiệt thấp, thường dùng làm vật liệu cách nhiệt trong xây dựng và tủ lạnh công nghiệp.
• Foam mềm (Flexible PU): Mạng lưới lỏng hơn, có khả năng giãn nở cao, phổ biến trong sản xuất nệm, ghế sofa và đệm ô tô.
• Elastomer PU: Liên kết vừa phải giữa tính đàn hồi và độ bền kéo, ứng dụng làm bánh xe công nghiệp, khớp nối, gioăng cao su thay thế.
• Coating và keo dán PU: Dạng nhũ tương hoặc dung môi, tạo lớp phủ chống mài mòn, lớp bảo vệ bề mặt kim loại, gỗ và bê tông; keo PU có độ bám dính cao trên nhiều chất liệu.

Mỗi loại PU được điều chế bằng cách thay đổi:

1. Tỷ lệ NCO/OH và chiều dài phân tử polyol.
2. Loại diisocyanate (aromatic hoặc aliphatic).
3. Sự có mặt của chain extenders (ví dụ 1,4-butanediol) và crosslinkers.

Bảng so sánh tính chất cơ bản giữa các loại PU:

Ứng dụng công nghiệp

Với tính linh hoạt cao, PU đóng vai trò trọng yếu trong nhiều ngành công nghiệp:

• Xây dựng: Panel cách nhiệt, tấm bảo ôn, miếng đệm chống rung, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện hiệu suất nhiệt.
• Ô tô: Đệm ghế, miếng lót sàn, lớp cách âm và cách nhiệt khoang động cơ, giảm trọng lượng xe và tăng sự thoải mái cho hành khách.
• Đồ gia dụng: Nệm, gối, ghế sofa, vật liệu dán sàn, lớp lót tủ lạnh; đặc tính bền, nhẹ và chịu va đập tốt.
• Điện – điện tử: Vật liệu đúc vỏ, keo gắn linh kiện, lớp phủ bảo vệ bảng mạch in; cách điện và chống ẩm ưu việt.
• Y tế: Ống catheter, màng lọc, vật liệu cấy ghép y sinh học, nhờ khả năng tương thích sinh học và độ bền cơ học cao.
• Thể thao và giải trí: Lớp lót bảo hộ, nẹp thể thao, đế giày dép cao cấp; kết hợp giữa tính đàn hồi và độ bền mòn.

Các ứng dụng tiên tiến đang mở rộng sang lĩnh vực năng lượng tái tạo (bọc bảo vệ cánh tuabin gió), hàng không vũ trụ (vật liệu siêu nhẹ, chịu nhiệt) và đóng gói thực phẩm (màng bao bì chống thấm khí) nhờ phát triển công thức polyol và phụ gia chuyên dụng.

Tác động môi trường và sức khỏe

Việc sản xuất và sử dụng PU tiềm ẩn một số rủi ro:

• Phát thải isocyanate: Khí TDI, MDI dễ bay hơi có thể gây kích ứng đường hô hấp, dị ứng da và hen suyễn nghề nghiệp nếu không kiểm soát chặt chẽ trong nhà máy (OSHA: Isocyanates).
• Khó phân hủy sinh học: Liên kết urethane bền vững khiến PU tồn tại lâu trong môi trường, đóng góp vào chất thải rắn toàn cầu.
• Hóa chất phụ gia: Phthalate, chất chống lão hóa và UV có thể rò rỉ ra môi trường, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và động vật.

Tái chế và bền vững

Để giảm thiểu tác động môi trường, nhiều phương pháp tái chế PU đã được phát triển:

• Phương pháp cơ học: Nghiền và tái nén foam cứng thành tấm cách nhiệt mới hoặc vật liệu lót, giảm lượng phế thải vào bãi chôn lấp.
• Glycolysis: Dùng glycols làm tác nhân phân cắt liên kết urethane, thu hồi polyol để tái tổng hợp foam mới (Green Chem. 2020).
• Aminolysis và hydrolysis: Phục hồi diisocyanate và polyol qua phản ứng với amin hoặc nước dưới điều kiện xúc tác, áp dụng cho foam cứng và elastomer.
• Circular economy: Thiết kế PU dễ tháo rời (deconstructable polyurethane) để tái sử dụng toàn bộ cấu trúc mạng lưới, hướng tới mức tiêu thụ carbon thấp (Green Chemistry).

Xu hướng và thách thức nghiên cứu tương lai

Các xu hướng hiện tại tập trung vào phát triển polyol sinh học thay thế từ dầu thực vật (castor, đậu nành), lignin và tinh bột nhằm giảm phụ thuộc vào dầu mỏ và cải thiện khả năng phân hủy.

Ứng dụng công nghệ in 3D (additive manufacturing) với mực PU giúp sản xuất linh kiện cơ khí và y sinh cá thể hóa, tạo hình tự do với độ chính xác cao. Hệ thống in-situ kết hợp cảm biến cho phép giám sát quá trình đóng rắn, tối ưu hiệu suất sản xuất.

• Thiết kế enzyme phân hủy PU trong môi trường tự nhiên.
• Ứng dụng machine learning trong tối ưu công thức, dự đoán tính chất cơ lý.
• Tích hợp multi-scale modeling để mô phỏng cấu trúc mạng lưới và thu nhỏ thí nghiệm phức tạp.

Thách thức lớn nhất vẫn là cân bằng giữa hiệu suất vật liệu và tính bền vững, đồng thời đảm bảo chi phí sản xuất phù hợp để ứng dụng thương mại rộng rãi.

Tài liệu tham khảo

• American Chemistry Council. “Polyurethanes.” 2025. https://polyurethane.americanchemistry.com.
• PubChem. “Polyurethane.” NCBI; 2025. https://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/Polyurethane.
• Occupational Safety and Health Administration. “Isocyanates.” 2024. https://www.osha.gov/isocyanates.
• Smith J., Lee A. “Recycling of polyurethane foam by glycolysis.” Green Chem. 2020;22:1234–1245. doi:10.1016/j.resconrec.2020.104932.
• Green Chemistry Journal. “Advances in sustainable polyurethane design.” 2023. https://greenchemistryjournal.org.