Полиуретан: свойства, технические характеристики материала

История создания полиуретана

Впервые полиуретан был получен в 1937 году. Известный немецкий химик-технолог Отто Байер синтезировал его из диизоцианта и жидкого полиэфира. Полученное вещество превосходило по многим свойствам существующие тогда пластмассы. Дальнейшие исследования в этом направлении были направлены на получение искусственных волокон, а также пены, обладающей высокой эластичностью. Но задуманное пришлось отложить в связи с начавшейся Второй Мировой. Но уже тогда полиуретаны начали использовать, например, в незначительных количествах их применяли для покрытия самолетов.
Вновь к совершенствованию технологии и изготовлению полиуретана в промышленных масштабах вернулись лишь в 1954 году, с помощью. Для синтеза применялся диизоциант толуола и полиолы полиэстра. Массовое производство стартовало в 60-х годах с подачи известных американских компаний Mobay и Union Carbide.

Занимательно, что вспененный полиуретан, обладающий высокой эластичностью, был получен случайным образом. В смесь, подготовленную для реакции, попала вода. Результат был непредсказуем и дал начало производству нового материала.

Описание

Пенополиуретан можно условно разделить на три группы:

• эластичные (мягкие) пены;
• цельные (интегральные) пены;
• жесткие пены.

Не существует вспенивающего агента, сочетающего в себе все полезные свойства ранее использованных хлорфторуглеродов (ХФУ). По экологическим причинам пришлось разработать альтернативные пропелленты, потому что ХФУ попадают в стратосферу в неизменном виде и фотохимически отщепляются от хлора, который разрушает озон посредством цепной реакции. Поскольку не существует другого вспенивающего агента, который можно было бы использовать повсеместно, для каждого производственного процесса необходимо найти специально подходящий вспенивающий агент. Простой вариант — использовать углекислый газ в качестве топлива. Небольшие количества воды в полиоле реагируют с диизоцианатом с образованием диоксида углерода.

Мягкие (эластичные) пены

Подходящим вспенивающим агентом для мягких пен является диоксид углерода, который образуется непосредственно при добавлении избытка изоцианата во время образования полимера. Группы мочевины, которые также образуются в этом процессе, являются проблематичными и могут привести к отверждению полиуретана из-за сшивки. Однако это можно контролировать путем разработки специальных полиспиртов. Это простые полиэфирполиолы, в которых относительно большие площади состоят из чистых углеродных цепей без гидроксильных или эфирных групп. В этих нереакционноспособных областях не может происходить сшивание, что обеспечивает желаемую эластичность конечного продукта. Таким образом, диоксид углерода можно использовать в качестве вспенивателя практически для всех эластичных пен.

Интегральные (цельные) пены

Для крышек приборной панели или подлокотников в автомобилях, вспениваемые реакционные смеси отверждаются под давлением в формах с регулируемой температурой с добавлением воды, создавая заготовку из полиуретана, плотность которого постоянно увеличивается изнутри в результате давления вспенивания. В дополнение к таким мягким интегральным пеноматериалам с их мягкой эластичной сердцевиной, пены используются для производства подошв, рулевых колес и подлокотников, существуют также жесткие интегральные пенопласты, которые используются для производства деталей корпуса, крышек и т.д.

Пентан подходит в качестве вспенивателя для мягких интегральных пен для кожи, но не для твердых интегральных пен. Поскольку последние выделяют гораздо больше тепла, порообразователь должен иметь более высокую температуру кипения. Сегодня используют 2-метил-2-пропанол (трет-бутанол), который при более высоких температурах реагирует с изоцианатами с образованием 2-метилпропена (изобутена), соответствующего амина и диоксида углерода-вытеснителя.

Жесткие пены

Жесткие пенопласты в основном используются в качестве теплоизоляционных материалов.

Свойства полиуретана

Полиуретан – это целый класс синтезируемых полимеров, в молекулах которых присутствуют группы уретанов. В связи с тем, что молекулярная структура их может отличаться, технические характеристики и свойства полиуретанов могут быть различными. Но общее для всей группы полимеров является вязкость и высокая эластичность. По этой причине их относят к эластомерам. Эластомерами называют упругие материалы, которые могут растягиваться и принимать исходное положение, то есть ведут себя как резина.

Впечатляет морозостойкость полиуретанов, они могут использоваться при различных температурах: от — 60°C до +80°C.

Виды полимера

В химической отрасли присутствуют три основных типа полиуретана:

1. Адипрены — вещества с повышенной эластичностью, которые хорошо сохраняют заданную форму. Обычно они выступают основой для уплотняющих прокладок, участвуют в изготовлении колесиков для тележек, конвейерных валиков, шин для транспортных средств. От того, какие дополнительные свойства присутствуют у адипренов, их применяют при производстве запчастей в циклонах, оправ для гипсового или бетонного литья.
2. Вулколланы — твердые полимеры с широким интервалом эксплуатационной температуры без потери свойств. С их участием создаются втулки, опоры, сайлентблоки, другое.
3. Вулкопрены — вид полиуретана, который проходит последующую вулканизацию и сочетается с другими полимерами (например, с каучуком). Такой подход позволяет добиться высоких показателей к истиранию.

Каждый из этих эластомеров активно применяется в разных областях, поскольку такие параметры материала, как долговечность, прочность, растяжимость, намного лучше, чем у привычных резины и металла.

Физические свойства полиуретана

• Высокая твердость. Это дает возможность применять материал там, где на него оказываются значительные механические нагрузки.
• Превосходная износостойкость. В том числе к воздействию абразивных веществ, применяемых для шлифовки, полировки и прочих видов обработки материалов.
• Значительная эластичность. При том, что твердость материала остается высокой.
• Устойчивость к деформациям, которая обеспечивается значениями прочности до 50 МПа.
• Полиуретан – неблагоприятная среда для образования плесени, грибков, микроорганизмов.
• Не изменяет свойства при воздействии масел, растворителей.
• Метод литья позволяет изготавливать из полиуретана продукты любого размера и конфигурации.

Достоинства и недостатки материала

Полиуретан имеет массу преимуществ, в сравнении с прочими наиболее распространенными материалами.

• Он легче, чем металлы, эластичнее, не является проводником электричества, не поддается воздействию абразивов. Изготовленные из полиуретана механизмы производят меньше шума, чем металлические, они не требуют больших затрат при ремонте и обслуживании.
• Полиуретан имеет более долгий срок эксплуатации, в сравнении с резиной. Он способен выдерживать значительнее нагрузки, скорее, чем резина возвращает первоначальную форму после внешнего воздействия, эластичен, не видоизменяется при взаимодействии с маслами, не притягивает так сильно грязь, как резина.
• В сравнении с пластиками свойства материала полиуретана также более практичны. Он устойчив к механическому воздействию, обладает значительной упругостью и не поддается абразивам. Этот материал сохраняет эластичность даже при экстремально низких температурах. Из него проще формировать материал с толстыми слоями.
• Полиуретан выделяется среди всех указанных материалов и по соотношению цены и качества. Применяя его при производстве разнообразных механизмов, удается удешевить себестоимость продукции.

Общие плюсы полиуретана

• Небольшая масса. Это позволяет уменьшить общий вес готовых изделий.
• Устойчивость к внешним воздействиям среды, химических составов.
• Возможность производства материала с определенным показателем коэффициента трения.
• Неспособность проводить электричество.
• Способность значительно растягиваться.
• Возможность использования при критичных температурах, в том числе краткосрочно при температуре до 100°C.
• Долговечность.
• Твердость.
• Износоустойчивость.

Минусы у этого материала также имеются. Главный из них – сложность утилизации. Прочие же могут формироваться из плюсов в неподходящих условиях. Так, резиновые детали могут быть более мягкими, в сравнении с полиуретаном. Иногда это преимущество, например, при конструировании и эксплуатации подвески. Полиуретановые сайлентблоки придают ей больше жесткости. А при применении этого материала в декоре можно получить некачественный рисунок из-за того, что вспененная структура усаживается. Обувь, изготовленная с применением

Лепнина в наше время

Раньше возводились колонны, лепнина была на стенах и потолках, а что она представляет из себя в наше время? В наше время лепнина – это декоративные балки, потолочные кессоны, плинтуса и обрамления оконных проемов, камины, купола и различные орнаменты.

Лепной декор отлично смотреться снаружи и внутри здания. Его применяют для украшения фасадов. Лепнина с легкостью крепится к любым поверхностям. Ее можно сочетать с различными отделочными материалами и добиваться великолепных творений.

Как производится полиуретан и полуфабрикаты из него

Полиуретан бывает различных форм. Он может быть жидкий, твердый, выпускающийся в форме стержней, листов, пластинок, а также вспененный (всем знакомый пенопласт, поролон). Есть также напыляемый.

Жидкий полиуретан

Напыляемый полиуретан

Для производства изделий из него могут применяться самые различные технологии от литья и прессования, до экструзии и заливки с использованием стандартного оборудования.

В современной промышленности применение полиуретана так распространено, что его смело можно назвать самым востребованным полимером. Так, в 2015 году по данным Labyrinth Research&Markets, во всем мире было произведено более 21 миллиона тонн полиуретана. Учитывая растущие потребности в нем, к 2020 году по прогнозу объемы могут вырасти до 30 миллионов тонн. Отмечается, что отрасль находится в положении стабильного развития и темпы ее роста опережают динамику валового продукта мирового хозяйства.

Что касается России, то объем импортного полиуретана незначительно превышает собственное производство. Ведущая разновидность – вспененный полиуретан жесткий и мягкий. Его доля в общей структуре 84%. Больше всего полиуретана используется в мебельной отрасли, автомобильной и строительной. Также это материал используется при изготовлении труб для нефте- и газопроводов.

В мире крупнейшими предприятиями по синтезу этого вещества являются:

• Covestro;
• Bayer;
• BASF;
• Huntsman и ряд других.

Способы производства

Для выпуска изделий из полиуретана применяются почти все известные технологические процессы. Так, широко применяют несколько методов производства.

Литье

Наиболее часто применяемый способ формовки, который почти ничем не отличается от технологии производства любых пластмасс. Позволяет получать полиуретановые изделия сложной геометрии. Такая технология не нуждается в сложной автоматизации и допускает выпуск крупных партий. При этом штучные детали, размер которых может превышать 3-4 тонны, изготавливают с применением литья в стенде. Сам процесс достаточно прост: массу размягчают, заливают в специальные оправы. Затем она отвердевает и приобретает устойчивую форму. Повышенное давление ускоряет процедуру.

Прессование

Применяется для предварительно приготовленного материала, который подают в специальный аппарат. Под воздействием экстремально высокого давления массе придают нужную форму. Перед основным процессом формовки может применяться подогрев полиуретана или его размягчение путем сжатия. В этом случае меняется не только геометрия детали, но и ее свойства. Каждый этап контролирует компьютер.

Экструзия

Еще этот метод называется – продавливание. Полимер, разогретый и размягченный под давлением, поступает в экструдер. Здесь же производится его охлаждение и отвердение. Продукт этой технологии – прутки с сечением определенной формы, а также плоские листы, которые затем нарезают или скручивают.

Заливка на стандартном оборудовании

Это – распространенный метод изготовления декоративных изделий с применением литья, которое происходит естественным путем. Проводится путем заливки материала в текучем состоянии в оправу. Застывание происходит под воздействием температуры или реагентов. Применяют обычно для небольших партий. В процессе использования литья не нужны дорогие сложные формы.

Области применения полиуретана и его производных

Полиуретан выпускается различных форм, поэтому и области применения полиуретана очень многочисленны.

• Жидкий. Производится в виде спрея. Используется для покрытия поверхностей из различных материалов: бетона, кузовов технических устройств, баков и резервуаров и пр. Материал в таком виде оказывается полезен для создания защитной прослойки при сооружении крыш. Он входит в состав красок, лаков, герметиков, клеящих веществ. Из него изготавливаются формы для производства бетонных, гипсовых, восковых изделий, в том числе небольшого размера, архитектурных, декоративных.
• Пенополиуретан. Служит сырьем для наполнения, материалом для теплоизолирующих конструкций.
• Листовой полиуретан. Является основой защитных элементов, штампов для прессов, применяется для производства колес, роликов, валов.

Если рассматривать отдельные виды промышленности, где используется этот материал, то список получится достаточно длинный.

• Тяжелая. Например, в качестве амортизирующих деталей в конструкции станков.
• Строительная. Устойчивые к вибрациям полы, нескользящие покрытия, отделка фасадов.
• Мебельная. Крепеж, матрасы, наполнители для мягкой мебели.
• Автомобильная. Валы, втулки, пружинные элементы, шины, ролики, детали, взаимодействующие с маслами, подшипники.
• Медицина. Протезные элементы, имплантаты.
• Обувная. Подошвы, материал, имитирующий кожу.
• Текстильная. Производство ковров – изготовление подложки для них.

Применение полиуретана ограничивается лишь сложностью его утилизации. Однако этот вопрос решается путем вторичной переработки отходов.

Методы формовки

Производитель выбирает один из нескольких видов формовки, от этого также зависят основные свойства. Полиуретаны очень хорошо обрабатываются, поэтому и встречается много различных технологий.

Экструзия

Если рассматривать основные свойства полиуретанов, то они позволяют применять метод продавливания. К особенностям технологии относят:

• Материал нагревается, затем поддается под давлением через выходное отверстие.
• В зоне контакта выдавленных полиуретанов с воздухом происходит быстрое затвердевание.

В результате получают много листов с одинаковой толщиной или пруток. Полученный прокат сравнивают с любым листовым материалом, только свойства будут разными

Литье

Этот способ формирования отличается наибольшим распространением. Повышенная пластичность полиуретанов позволяет получать при применении метода литья изделия сложной формы: опоры, манжеты, уплотнители или элементы гидравлики. Свойства polyurethan позволяют максимально автоматизировать процесс, за счет чего выпускаются большие партии. Современные системы позволяют снизить себестоимость продукции.
Полиуретан часто обрабатывается давлением. За счет этого придаются особые свойства, процесс ускоряется. Некоторые марки уретановых полимеров применяют в качестве напыления. За счет этого повышается класс защиты металлических изделий. Применяемые технологии позволяют покрывать только часть поверхности, материал подается в жидком виде.

Прессование

Технология прессования применяется также при обработке полиуретанов. За счет этого повышается плотность поверхности, за счет чего ролики становятся более износоустойчивыми.
В зависимости от особенностей поставленных задач, эластомер перед обработкой давления нагревается. Это упрощает процедуру и делает геометрию изделий более точной.

Заливка

Полиуретаны часто используют для получения штучных или художественных изделий. Для этого больше подходит технология заливки. Многие свойства, к примеру, повышенная пластичность при нагреве позволяют материал заливать по заранее подготовленной форме.
Если нужно получить колеса или ролики, полиуретан заливают могут дополнительно обрабатывать давлением при пластичном состоянии. За счет этого повышается плотность и твердость поверхности.

Вторая жизнь полиуретана

Ведущими источниками полиуретана, используемого для вторичной переработки, являются бытовые приборы, вышедшие из строя, автомобильные детали, матрасы и мягкая мебель, ковровые покрытия. И, конечно, весомую долю занимают отходы промышленности. Все вместе это составляет лишь около 5 процентов от пластмассовых отходов.

Методы переработки этого материала различаются. Один вариант – получение энергии путем сжигания отходов и использования выделяемого при этом тепла. Другой, более оптимальный и экологичный – механическое измельчение для повторного включения в производственные процессы, например, в качестве наполнителя при изготовлении формованных продуктов. Третий вариант – химическое разделение на мономеры, из которых снова производятся полиуретаны.

Широкое внедрение вторичной переработки может решить основную проблему, связанную с использованием этого материала. А универсальные свойства и применение полиуретана повсеместно не позволяют сомневаться, что этот материал будет востребован еще длительное время.

Биогенные полиолы

Как правило, и полиолы, и полиизоцианаты получают из нефтехимического сырья, но также могут использоваться полиолы на основе растительных масел. В частности, для этого подходит касторовое масло, поскольку оно само имеет гидроксильные группы и, таким образом, может непосредственно реагировать с изоцианатами. Кроме того, полиолы на основе растительных масел могут быть получены, с одной стороны, путем эпоксидирования растительных масел с последующим раскрытием кольца, а с другой стороны, путем переэтерификации растительных масел глицерином. Полиуретаны на основе растительных масел продаются как «биополиуретаны» из-за биогенного происхождения некоторых видов сырья.

В настоящее время продолжается работа над полиолами на основе соевого, рапсового и подсолнечного масла в качестве основы для производства пен для матрасов. Отдельные компании работают над производством биогенных полиолов из лигнина.