Список тематических статей

Полиуретаны

Свойства и характеристики полиуретана

Общие сведения

Полиуретан (ПУ, polyurethane) является одним из синтетических полимеров гетероцепного типа. Отличительной особенностью ПУ является наличие в основной полимерной цепи повторяющейся «белковой» группы атомов -O-CO-NK-, которая придает пластику особые свойства, с возможностью их модификации. Полиуретан относится к виду полиэфир-полиолов, а широкое разнообразие его характетистик возможно благодаря различиям в молекулярной структуре полимерной цепи.

Рис.1. Схема синтеза полиуретана.

Как правило, ПУ получают путем поликонденсации в ходе реакции двух компонентов полиола и изоцианата. Определенные свойства полиуретану могут придать различные добавки, например они помогают увеличить эластичность или твердость, термостойкость и т.п.

Основные виды полиуретанов, которые имеют между собой очень немного общего по свойствам, используемых в современной жизни – это вспененный полиуретан или пенополиуретан, термопластичный в гранулах, жидкий, листовой. Пенополиуретан (ППУ) и жидкий ПУ в больших количествах используют в строительстве – первый для термо- и звукоизоляции, второй – для гидроизоляции кровель. Термопластичный полимер в гранулах применяют для производства (обычно литья) гибких изделий, напоминающих резиновые, например подошвы обуви. Листовой полиуретан, частный случай термоэластопласта, отформованного в лист, который имеет области применения в машиностроении, автомобильной и других отраслях промышленности.

Литьевой полиуретан перерабатывают в изделия тремя способами: ротационным литьем, свободным литьем в форму и литьем под давлением. Последний метод практически ничем не отличается от литья полиолефинов и прочих пластмасс общего назначения. Изделия ППУ производят методом заливки материала под высоким давлением через специальные смесительные головки в формы или прямо в полость изделий, например оболочек труб. Из листового ПУ или из пластин, стержней и профилей получают разные изделия методом механической обработки.

История полиуретана

Полиуретан был впервые описан в 1930-е годы, химиком Отто Бэйером и его коллегами, которые изначально занимались химией полиамидов. В 1937 году они получили разновидности термоэластопластов после реакции диизоцианата с некоторыми химикатами, имеющими в составе гидроксильные группы.

Первые товарные марки ПУ были разработаны в США компанией Dupont и поступили в продажу в 1956 году. Практически одновременно полиуретаны выпустили BASF и Dow Chemical в США по истечении одного года. Изначально полиуретан предназначался для замены других ценных материалов, например каучука, металла, дерева, и во многих темах это удалось.

В Советском Союзе полиуретаны начали разрабатывать в 1960-х годах, когда в мире уже производили тысячи тонн ПУ материалов. Наиболее глубоко исследования продвинулись в НПО «Полимерсинтез» (г. Владимир), а также в некоторых других научно-исследовательских учреждениях, плотно изучавших полиуретан. В России существует множество государственных и частных компаний, а также совместных предприятий (например владимирское «Дау-Изолан») хорошо зарекомендовавших себя в области производства полиуретанов с различными свойствами.

Свойства полиуретана

Основные характеристики полиуретановых эластомеров – это высокая прочность, стойкость к раздиру, стойкость к износу и к набуханию в маслах и растворителях, озоностойкость (важный фактор, выгодно отличающий ПУ от резины) и радиостойкость. Важнейшая особенность ПУ термоэластопластов – это комбинация отличной эластичности с большим разнообразием возможных твердостей.

Важные особенности полиуретанов: очень высокие физико-механические характеристики, которые во многом выше резин, каучуков, и даже некоторых металлов. Среди них высокая твердость, одна из самых лучших износостойкость и отличная абразивностойкость. По последним двум характеристикам литьевые ПУ на голову выше резин, других пластмасс и металлов. Кроме того, важна комбинация свойств, например сочетание высокой твердости и высокой эластичности дает превосходную прочность материала.

Температура эксплуатации полиуретана имеет верхний предел не ниже 120 градусов С, а нижний предел эксплуатации – минус 70С или даже еще ниже (при кратковременном воздействии). В этих пределах полиуретан сохраняет свои основные свойства неизменными.

Полиуретаны имеют хорошие диэлектрические характеристики, высокую химическую стойкость, в том числе устойчивость к маслам, кислотам и растворителям. Также полиуретан – очень экологичный материал, который не загрязняет окружающую среду, но при этом стоек к микробам, плесени и прочим простейшим.

Из минусов полиуретана можно отметить воздухонепроницаемость (одежда и обувь «не дышат»), плохо поддается печати, падение прочностных характеристик при продолжительном воздействии низких температур, слабую сопротивляемость скручиванию.

Пенополиуретан

Особняком среди всех полиуретанов стоит пенополиуретан. ППУ входит в класс газонаполненных пластмасс, они же пенопласты. Такие пластики состоят из воздуха или другого газа на величину порядка 90 процентов по объему. ППУ делится на две большие группы: жесткий или интегральный пластик и мягкий (эластичный) пенополиуретан или поролон.

Рис.2. Применение эластичного ППУ в мебели

ППУ интересен тем, что его синтез обычно происходит на месте применения, а не в заводских условиях (при этом мебельный поролон или трубы в ППУ изоляции все-таки производятся на заводах). Пенополиуретан синтезируется при смешении полиола и полиизоционата с получением высоконаполненной углекислым газом полимерной матрицы.

ППУ биологически нейтрален, опасность может представлять его компонент высокотоксичное вещество изоцианат, в случае если он взят в избытке. При применении антипиренов в компонентах полиуретана материал не поддерживает горение и гаснет при удалении пламени.

Применение полиуретанов

Из литьевых полиуретановых термоэластопластов производят крупные продукты, например износостойкие шины, конструкционные, корпусные и технические изделия, многочисленные заменители резиновых изделий. Также производят амортизирующие и демпфирующие элементы для всех отраслей, например конвейерные ленты, приводные ремни, нескользящие покрытия, различные упругие валики и ролики, уплотняющие прокладки, буферы и бамперы и т.д. ПУ изделия, благодаря своим свойствам и прежде всего износостойкости с успехом используются в высоконагруженных устройствах и механизмах. Из отраслей это железнодорожная, автомобильная, машиностроительная, обувная, медицинская, спортивная и прочие.

Рис.3. Полиуретановые износостойкие ролики

Жидкий полиуретан, который еще выпускается в виде спрея используют для изоляции различных конструкций и механизмов, например, вагонов, грузовых автомобилей, люков и т.д. Кроме того, он входит в качестве компонента в разнообразные герметики, клеи, лаки, краски и прочие изолирующие и декорирующие поверхности агенты.

Несмотря на широчайшее применение полиуретановых эластомеров, большая часть рынка ПУ пластмасс занимает пенополиуретан. Помимо теплоизоляции труб ППУ применяют для напыления на практически любые поверхности, выпуска сэндвич-панелей и прочих легких и прочных стройматериалов. Также ППУ используют для термоизоляции холодильников, рефрижераторов, хранилищ; в электротехнике и производстве интерьеров автомобилей, рулей; в самолетостроении, вагоностроении и т.п. Мягкий ППУ – непревзойденный материал для мебельной и легкой промышленности.

Вторичная переработка ПУ

Несмотря на инертность полиуретана для окружающей среды, его вторичная переработка задача непростая. Это не касается термопластичного эластомера, который может подвергаться переработке многократно. Однако, пенополиуретан по своей природе является реактопластом и практически не перерабатывается повторно.

Этот факт является серьезным минусом, сдерживающим еще более широкую поступь ППУ по планете.