Toluene Diisocyanate (TDI) là gì? Tính chất và ứng dụng?

1. Sản xuất bọt polyurethane (PU foam)

Ứng dụng:

TDI là thành phần chính trong sản xuất bọt polyurethane, một loại vật liệu có tính đàn hồi cao, cách nhiệt, cách âm tốt và được ứng dụng rộng rãi trong:

• Nệm, ghế sofa, ghế xe hơi – giúp tăng độ êm và thoải mái.

• Bọt cách nhiệt trong tủ lạnh, bình giữ nhiệt – giúp duy trì nhiệt độ ổn định.

• Vật liệu đóng gói, bảo vệ hàng hóa – giảm va đập, bảo vệ sản phẩm khỏi hư hỏng.

Cơ chế hoạt động:

TDI phản ứng với polyol chứa nhóm hydroxyl (-OH) để tạo liên kết urethane: TDI+Polyol→Polyurethane

• Khi có mặt của chất xúc tác (thường là amine hoặc thiếc hữu cơ), phản ứng tạo thành mạng lưới polymer không tan, có độ đàn hồi cao.

• Phản ứng phụ với nước sinh ra carbon dioxide (CO₂), tạo thành cấu trúc bọt khí trong polyurethane, giúp vật liệu nhẹ nhưng vẫn có độ bền tốt.

2. Sơn và chất phủ (coatings)

Ứng dụng:

TDI được sử dụng trong sản xuất sơn polyurethane với đặc tính:

• Sơn bảo vệ bề mặt kim loại, gỗ, bê tông – tăng khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn hóa học.

• Lớp phủ ô tô, thiết bị công nghiệp – tạo độ bóng, tăng độ bền.

• Sơn chống thấm cho công trình xây dựng – bảo vệ bề mặt khỏi tác động của thời tiết.

Cơ chế hoạt động:

TDI phản ứng với nhựa alkyd hoặc polyol để tạo liên kết polyurethane, giúp sơn có độ bám dính cao và khả năng kháng hóa chất tốt. Phản ứng đóng rắn xảy ra theo cơ chế: TDI+R-OH→Polyurethane

Khi tiếp xúc với độ ẩm, các nhóm isocyanate (-NCO) của TDI phản ứng với nước tạo thành carbamic acid, sau đó phân hủy thành amine. Amine này tiếp tục phản ứng với TDI để tạo liên kết urea, làm tăng độ cứng của lớp sơn.

3. Chất kết dính và keo dán (adhesives & sealants)

Ứng dụng:

TDI là thành phần quan trọng trong sản xuất keo dán polyurethane với các ứng dụng:

• Keo dán gỗ, da, nhựa, kim loại – giúp kết dính bền vững, chịu lực tốt.

• Keo dán trong sản xuất giày dép – tăng độ bám dính giữa các lớp vật liệu.

• Chất trám khe, chống thấm – sử dụng trong ngành xây dựng để ngăn rò rỉ nước và hơi ẩm.

Cơ chế hoạt động:

TDI phản ứng với polymer chứa nhóm hydroxyl (-OH) hoặc amine (-NH₂) để tạo liên kết chéo polyurethane hoặc polyurea:

TDI+R-OH→Liên kết polyurethane

 TDI+R-NH2→Liên kết polyurea

• Phản ứng này tạo ra màng keo dán có độ bền cơ học cao, kháng hóa chất và chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt.

4. Sản xuất chất đàn hồi polyurethane (polyurethane elastomers)

Ứng dụng:

TDI được dùng để chế tạo các vật liệu đàn hồi có độ bền cao như:

• Lốp xe, con lăn băng chuyền, bánh xe công nghiệp – có độ đàn hồi và chống mài mòn tốt.

• Vật liệu giảm chấn, chống rung – dùng trong sản xuất thiết bị cơ khí.

• Lớp phủ chống va đập cho tàu biển, cầu cảng – giúp bảo vệ bề mặt khỏi tác động cơ học mạnh.

Cơ chế hoạt động:

TDI phản ứng với diol và chain extender (chất kéo dài chuỗi) để tạo mạng lưới polyurethane đàn hồi:

TDI+Diol→Polyurethane

• Các liên kết urethane hình thành giúp vật liệu có tính đàn hồi, chịu lực kéo và chống lão hóa tốt.

• Khi sử dụng chain extender chứa nhóm amine, TDI có thể tạo liên kết polyurea, giúp tăng cường độ bền hóa học.

5. Sản xuất sợi tổng hợp và vải phủ polyurethane (PU-coated fabrics & synthetic fibers)

Ứng dụng:

TDI được sử dụng để tạo lớp phủ polyurethane trên vải, giúp vật liệu có đặc tính:

• Chống thấm nước, chống bám bẩn – dùng trong sản xuất quần áo thể thao, áo mưa, balo.

• Tăng độ bền và khả năng co giãn – áp dụng cho vải dùng trong nội thất ô tô, giày dép.

• Cải thiện độ bền cơ học và khả năng chống rách – dùng trong ngành dệt may cao cấp.

Cơ chế hoạt động:

TDI phản ứng với polyol để tạo lớp màng polyurethane trên bề mặt vải: TDI+Polyol→Màng polyurethane

• Màng polyurethane có cấu trúc đàn hồi nhưng bền chắc, giúp vải có khả năng chống nước và chịu mài mòn.

• Khi thêm các chất phụ gia như chất chống UV hoặc chống cháy, vật liệu có thể chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt.

6. Sản xuất nhựa polyurethane nhiệt rắn (thermosetting polyurethane plastics)

Ứng dụng:

TDI được sử dụng để tạo ra nhựa polyurethane nhiệt rắn có đặc tính:

• Cứng, bền nhiệt, chịu lực tốt – dùng trong chế tạo vỏ thiết bị điện tử, linh kiện ô tô.

• Chống hóa chất, chống mài mòn – ứng dụng trong sản xuất bồn chứa hóa chất, đường ống dẫn dầu.

• Có thể gia công bằng khuôn ép nóng – giúp tạo hình sản phẩm theo yêu cầu thiết kế.

Cơ chế hoạt động:

TDI tham gia phản ứng với polyol để tạo mạng lưới polymer nhiệt rắn: TDI+Polyol→Nhựa polyurethane nhiệt rắn

• Sau khi đóng rắn, vật liệu không thể nóng chảy hoặc tái chế, do cấu trúc polymer có liên kết chéo chặt chẽ.

• Khi kết hợp với chất độn và sợi gia cường, nhựa polyurethane có thể tăng độ cứng và chống va đập tốt hơn.