Biofiltry i nosiče mikroorganismů

Polyuretanové pěny se už dlouho využívají v mnoha průmyslových odvětvích, stále více se uplatňují i v biotechnologiích a environmentálních aplikacích. Komerčně vyráběné polyuretanové pěny však nejsou biologicky odbouratelné a snadno se rozpadají na mikroplasty a toxické produkty. Výzkum nových typů „na míru degradovatelných“ polyuretanových pěn může přinést řešení, které nás navíc zbaví plastového odpadu.

Polyuretanové pěny slouží všude možně, v automobilovém průmyslu, nábytkářství, stavebnictví. V posledních letech se začaly používat jako biofiltry pro čištění odpadního vzduchu a vody, mikroporézní sorpční materiály či nosiče mikroorganismů a enzymů v bioreaktorech. Odkdy vlastně oblíbený polyuretan využíváme?

Trocha historie

Na konci třicátých let chemik Otto Bayer objevil polyuretan (PUR). Od té doby urazily polyuretanové pěny značný kus cesty. V roce 1942 získali Karl Zaunbrecher a Herbert Barth na přípravu měkkých pružných polyuretanových pěn první patent. Při jejich přípravě se však vlivem silně exotermní reakce uvolňovalo nadměrné množství tepla, pěna se často pálila a samotný finální produkt byl znehodnocen. Boom polyuretanových pěn tak nastal až v padesátých letech 20. století, kdy se vylepšilo jejich složení a započala komerční výroba. Dnes mají polyuretanové pěny (dále PUR pěny) na trhu s polymerními pěnami dominantní postavení, a to především díky optimálnímu poměru ceny a výkonu, relativně snadné přípravě a vysoké strukturní variabilitě, která umožňuje připravit celou škálu materiálů od tvrdých izolačních pěn s uzavřenou strukturou pórů až po vysoce elastické porézní pěny.

Příprava polyuretanových pěn. A. Polyadiční („gelující“) reakce mezi polyolem a polyisokyanátem za tvorby uretanové vazby. B. „Vypěňovací“ reakce mezi vodou a polyisokyanátem za tvorby močovinových struktur a plynného oxidu uhličitého, díky němuž vzniká struktura pěny. C. Výstavba polymerní sítě během přípravy polyuretanové pěny.

Trocha chemie

Syntéza PUR pěn je založena na dvou hlavních reakcích (obr. 1). První, polyadiční reakce probíhá mezi alkoholem nesoucím dvě nebo více hydroxylových (–OH) skupin (tzv. polyolem) a polyisokyanátem nesoucím dvě nebo více isokyanátových (–N=C=O) skupin. Tato „gelující“ reakce vede k tvorbě uretanových vazeb a vytvoření chemicky zesítěné polymerní struktury (gelu). Proto se PUR pěny řadí mezi tzv. reaktoplasty (dříve termosety) – netavitelné, nerozpustné, a tedy i fyzikálně nerecyklovatelné polymery. Druhá, „vypěňovací“ reakce probíhá mezi polyisokyanátem a vodou a vzniká při ní močovinová vazba, a především plynný oxid uhličitý, zodpovědný za „vypěnění“ materiálu. Uvolněný oxid uhličitý ve vznikajícím polyuretanovém materiálu vytvoří uzavřené, otevřené nebo navzájem propojené póry dle požadavků na finální morfologii pěny (obr. 2). Oxid uhličitý vzniká během chemické reakce, proto je přidávaná voda považována za tzv. chemické nadouvadlo. Rychlá příprava probíhající za mírných podmínek je hlavním důvodem obliby PUR pěn – oproti jiným polymerním, především termoplastickým pěnám, které často vyžadují náročnější zpracovatelské technologie včetně intenzivního míchání složek, vysokotlakých a vysokoteplotních aparatur, přívodu plynů – nadouvadel apod.