Полиуретан: что это за материал

Обсуждая особенности процессов синтеза полиуретанов, важно отметить, что образование полиуретановой структуры может происходить как в массе, так и в растворе с использованием различных растворителей, таких как хлорбензол, толуол и диметилформамид.

Применение и свойства полиуретана

Полиуретан, появившийся на рынке промышленного сырья относительно недавно, очень быстро нашел свое применение в самых разных отраслях и вызвал множество вопросов: что это за материал, каковы его основные свойства и где он используется. По своим характеристикам полиуретан можно сравнить с резиной и каучуком. Этот материал представлен в разных формах: жидкой, твердой, а также в виде формованных листов. Синтезируемый полимер имеет уникальную способность переходить между этими состояниями, при этом восстанавливая свои оригинальные формы и свойства благодаря своей исключительно высокой эластичности. Этот материал востребован не только из-за своей доступной цены, но и благодаря универсальной области применения. Полиуретан активно используется в строительстве, мебельном производстве, автомобильной отрасли, а также при создании труб для нефтегазовых трубопроводов. Особенно стоит отметить морозостойкость различных типов полиуретана, которые могут эксплуатироваться в температурном диапазоне от -60°C до +80°C. В каких же продуктах применяются пластмассы этого вида? Какова история появления полиуретана? Ответы на эти вопросы вы найдете в статье ниже.

История создания материала

Производство полиуретана началось более 85 лет назад. Первая успешная лабораторная образец был получен в результате опытов по синтезу вещества с использованием диизоцианата и жидкого полиэфира. Исследование возглавлял известный немецкий химик-технолог Отто Байер. Созданный им полиуретан значительно превосходил по своим характеристикам все существующие на тот момент пластмассы. Ученый был настроен продолжать свои исследования, стремясь получить искусственные волокна и пену с высокой эластичностью. Однако с началом Второй мировой войны в 1939 году производство нового материала оказалось приостановлено. Тем не менее, несмотря на военные действия, полиуретан уже тогда нашел применение: его использовали в небольших объемах для создания защитного покрытия самолетов.

После окончания войны группа ученых вновь вернулась к исследованию и началу серийного производства этого нового вида пластмассы в 1954 году. Технология производства основывалась на синтезе толуол-диизоцианата и полиолов полиэстра. В 1960-х годах при поддержке крупных успешных американских компаний, таких как Mobay и Union Carbide, начался массовый выпуск различных видов полиуретана.

Случайное открытие вспененного полиуретана, который сейчас является одним из самых популярных форм, произошло во время производства очередной партии материала. В момент химической реакции в емкость с компонентами попала вода, что привело к неожиданному результату и дало начало новому типу полиуретана, который теперь занимает 85% от общего объема производимого материала.

Виды и характеристики полиуретана

В промышленности существует несколько разновидностей полиуретана, каждая из которых имеет свои особенности и предназначена для определенных целей. Основная классификация основана на составе материала:

Гибкий полиуретан

В состав этого сырья, как правило, входит вспенивающий катализатор, благодаря чему конечный продукт называют пенополиуретаном. Характерные свойства гибкого полиуретана включают:

• Мягкая, пористая структура, которая обеспечивает комфорт;
• Способность к амортизации, что делает его идеальным для применения в тех областях, где необходима защита от ударов;
• Отличные теплоизоляционные свойства из-за высокого содержания воздуха в материале;
• Плотность, варьирующаяся в зависимости от марки, от 5 до 60 кг/м3.

Эластичный полиуретан широко используется для изготовления мягкой мебели, матрасов, автомобильных сидений и других продуктов, в которых требуется высокая степень гибкости.

Жесткий вспененный полиуретан

Этот вид полиуретана состоит из двух основных компонентов (изоцианатные соединения и гидроксильные группы), в состав также добавляют пентан и диоксид углерода. Чем больше содержание этих компонентов, тем ниже структурная плотность материала. Жесткий полиуретан отличается высокой термостойкостью и низкой теплопроводностью. Добавление антипиренов в сырье значительно улучшает его пожаробезопасные характеристики. Жесткий полиуретан часто используется для производства изоляционных материалов, в строительстве, а также для утепления зданий.

Термопластичный полиуретан (ТПУ)

Этот материал относится к классу эластомеров и обладает следующими свойствами:

• Повышенная эластичность, что позволяет материалу удобно адаптироваться к различным условиям;
• Устойчивость к воздействию света и атмосферных факторов, что продлевает срок службы изделий;
• Способен гасить шум и вибрации;
• Сохраняет свою форму при температурах до +80°C.

ТПУ находит свое применение в обувной промышленности, при производстве медицинских устройств, надувных игровых комплексов, лодок и в создании изделий, которые требуют сочетания прочности и гибкости.

Литьевой полиуретан

Литьевой полиуретан представляет собой двухкомпонентный полимер, основанный на смолах изоциановой группы и отвердителях. Благодаря высокой текучести, стойкости к резким температурным колебаниям и агрессивным химическим составам, а также малому весу, этот материал применяется для создания малых архитектурных форм, компонентов мебели, сувениров, геральдических предметов и элементов декора.

Все перечисленные виды полиуретана имеют ряд общих свойств:

1. Хорошая эластичность и способность возвращаться к исходной форме после деформации, что делает его идеальным для динамически нагруженных приложений.
2. Отличные теплоизоляционные характеристики, что также полезно во многих сферах.
3. Водостойкость, обеспечивающая долговечность изделий даже в влажной среде.
4. Устойчивость к воздействию масел и растворителей, что расширяет область их применения.
5. Легкость в обработке, а также возможность придания различной формы.

Полиуретаны характеризуются высокой прочностью и стойкостью к износу, что позволяет изделиям из этого материала иметь длительный эксплуатационный срок даже в условиях тяжелых нагрузок. Полиуретан уверенно заменяет резину, особенно в сфере производства компонентов для автомобилей.

Чем материал полиуретан отличается от резины?

Полиуретан и резина — это эластомеры, которые имеют разное происхождение. Резина производятся из натурального каучука, тогда как полиуретан создается в результате химического синтеза. Хотя оба материала демонстрируют способность сжиматься и растягиваться при деформации, у полиуретана это свойство выражено сильнее. Обе субстанции обладают высокой стойкостью к износу и хорошо сопротивляются воздействиям масел и жиров.

Однако полиуретан значительно лучше справляется с экстремальными температурными режимами. В сравнении с резиной, полиуретан в 3-5 раз превосходит по прочности на разрыв, диапазону твердости, сохранению рабочих размеров и устойчивости к абразивному износу.

С точки зрения устойчивости к озону и ультрафиолетовому излучению, полиуретан также выигрывает: резина со временем склонна к трещинам и старению под воздействием этих факторов.

Несмотря на то что резина предпочтительнее в ситуациях, когда нужна высокая гибкость и упругость, в большинстве промышленных секторов детали из резины все чаще заменяются на полиуретановые. Это связано с наличием значительного количества преимуществ полиуретана.

Получение полиуретана

Процесс получения полиуретанов осуществляется с использованием различных методов, наиболее распространенным из которых является ступенчатая (миграционная) полимеризация ди- или полиизоцианатов с соединениями, содержащими две или более гидроксильные группы. В качестве таких гидроксильсодержащих соединений чаще всего применяются простые или сложные полиэфиры. Получаемые в результате этой реакции полиуретаны называют полиэфируретанами.

На сегодняшний день производство полиуретанов стремительно растет и охватывает все больше масштабов, особенно в технически развитых странах.

Для получения полиуретанов используют изоцианаты и гидроксилсодержащие соединения в качестве сырья.

Процесс промышленного получения алифатических и ароматических ди- и триизоцианатов также познаван на основе фосгенирования соответствующих ди- и триаминов:

Наиболее широко в производстве полиуретанов применяются толиулен-2,4-диизоцианат (I), гексаметилендиизоцианат (II) и 4,4-дифенилметандиизоцианат (III):

Иногда изоцианаты переводят в скрытую форму, которая называется блокированной. Эти скрытые изоцианаты могут быть получены в результате взаимодействия с фенолами:

При нагревании до температуры выше 100°C такие соединения разрушаются на исходные компоненты. В качестве нелетучих скрытых полиизоцианатов также используются продукты взаимодействия с триметилолпропаном, капролактамом, фталамидом, 2-меркаптобензтиазолом и др.

В качестве гидроксилсодержащих соединений могут быть использованы как простые, так и сложные полиэфиры, а также политиоэфиры, полиацетали, касторовое масло и его производные, а также низкомолекулярные гликоли.

Полиоксипропилендиол, представляющий собой простой полиэфир с концевыми гидроксильными группами, получается при полимеризации пропиленоксида в присутствии щелочей или алкоголятов щелочных металлов. В качестве первоначального гидроксилсодержащего соединения может использоваться как пропиленгликоль, так и дипропиленгликоль. Процесс полимеризации происходит по следующей схеме:

где В- — это гидроксил- или алкоголят-ион.

Полиоксипропилентриолы получают из пропиленоксида и низкомолекулярных трехатомных спиртов, таких как триметилолпропан, глицерин и гексантриол-1,2,6, в присутствии щелочей или алкоголятов соответствующего спирта. Полимеры, состоящие на основе пропиленоксида или смеси этиленоксида с пропиленоксидом и многоатомных спиртов (таких как пентаэритрит, сорбит, маннитол, левоглюкозан, дульцит и др.), позволяют получать полифункциональные простые полиэфиры, содержащие более трех гидроксильных групп. В качестве гидроксилсодержащих соединений можно использовать простые полиэфиры получаемые из полимеризации тетрагидрофурана, совместной полимеризации тетрагидрофурана с пропиленоксидом и различных продуктов, подобных О-пропилглицерину.

Для создания сложных полиэфиров часто применяются адипиновая и себациновая кислоты, фталевую кислоту и ее ангидрид, а также многоатомные спирты, такие как диолы (этилингликоль, пропиленгликоль и диэтиленгликоли) и триолы (глицерин, гексантриол-1,6,6 и триметилолпропан). Введение избытка многоатомного спирта ведет к разрыву цепи и получению низкомолекулярного полиэфира с высоким содержанием гидроксильных групп. Если же количество многоатомного спирта незначительно, это приводит к образованию продуктов с более высокой молекулярной массой и меньшим содержанием гидроксильных групп. В производстве полиуретанов в основном используются сложные полиэфиры с молекулярной массой от 800 до 2100.

Расшифровка марки полиуретана

Давайте обратимся к ГОСТу ISO 16365-1 и попробуем расшифровать пример маркировки полиуретана.

Согласно данной таблице термопластичный полиуретан будет иметь обозначение:

Термопласт ГОСТ ISO 76365-TPU-ARES, GF, MHNOW, 75-200│

В этом случае речь идет о термопластичном полиуретане (TPU), который создан на основе ароматического изоцианата (AR) и полиола сложного полиэстера (ES), и который дополнительно армирован стекловолокном (GF), обработан методом литья под давлением (М), не содержит дополнительных красителей (N), содержит термостабилизатор (Н), стабилизатор, предотвращающий гидролиз (W), а также стабилизатор, снижающий риск окисления (О), и обладает твердостью 73 (75) и модулем упругости при растяжении 2800 МПа (200).

Давайте подробнее разберем компоненты данной маркировки.

Первое, что бросается в глаза, это сокращение ТР, которое обозначает термопластичные полиуретаны, за которым, как правило, следует буква U.

Далее в обозначении TPU выделяются подгруппы в зависимости от типа связей в гибких блоках:

— TPU-ARES – содержит ароматический изоцианат и полиол сложного полиэфира;

— TPU-ARET – содержит ароматический изоцианат и полиол простого полиэфира;

— TPU-AREE – содержит ароматический изоцианат и полиол со связями как сложного, так и простого полиэфира;

— TPU-ARCE – содержит ароматический изоцианат и полиол поликарбоната;

— TPU-ARCL – содержит ароматический изоцианат и полиол поликапролактона;

— TPU-ALES – содержит алифатический изоцианат и полиол сложного полиэфира;

— TPU-ALET – содержит алифатический изоцианат и полиол простого полиэфира.

С помощью следующего блока данных можно указать тип наполнителя или армирующего материала, который представлен первым буквенным обозначением, а его физическая форма представлена вторым буквенным обозначением.

Преимущества и недостатки материала

Преимущества полиуретана напрямую связаны с его физико-химическими характеристиками. Некоторые из них уже были упомянуты ранее:

• Высокая механическая прочность (по шкале Шора материал достигает твердости от 40 до 98);
• Хорошая диэлектрическая проницаемость, что позволяет использовать его в производствах, контактирующих с электрическим током;
• Низкая степень истираемости (материал может эксплуатироваться до 20 лет в условиях непрерывного цикла);
• Устойчивость к деформациям, что позволяет ему сохранять свою форму;
• Стойкость к воздействиям масел, бензина, кислот, растворителей и другим агрессивным средам;
• Широкий диапазон рабочих температур (может использоваться при температурах от -70 до +120 градусов Цельсия);
• Небольшой вес (плотность материала составляет от 1.1 до 1.25 г/см3).

Однако следует отметить и некоторые недостатки материала полиуретана:

• Ограниченная выносливость к скручивающим нагрузкам (при сильном скручивании материал может получать необратимые повреждения);
• Увеличение эластичности при повышенных температурах, что может ограничивать применение в определенных условиях;
• Сложности с переработкой полиуретана в качестве вторичного сырья.

Главным недостатком полиуретана является трудность его утилизации и переработки. Вторичное использование материала возможно только после его переплавки, что требует значительных энергетических затрат.

Виды материала

Современные производства предлагают полиуретан в трех основных формах:

• Твердый (например, в форме листов, стержней или готовых изделий, таких как сит и гидроциклоны);
• Жидкий, который удобно использовать для различных технологий;
• Пенистый, обладающий уникальными характеристиками.

Каждый из этих видов материала имеет свои особенности применения и эксплуатационного поведения. На сегодняшний день наиболее широко используемым вариантом является твердый полиуретан.

Полиуретан в спорте

Полиуретан зарекомендовал себя в спортивной сфере, где его применение охватывает различные аспекты: от спортивной обуви до инвентаря, а также для создания спортивных площадок и даже некоторых видов одежды.

Например, мотоциклетные и велосипедные шлемы, которые предназначены для защиты головы водителя во время ударов, состоят из двух ключевых компонентов: жесткой внешней защитной оболочки и внутреннего слоя, поглощающего энергию ударов. Жесткая оболочка смягчает первоначальный удар, тогда как внутренний слой, как правило сделанный из пенополиуретана, усиливает поглощение удара, снижая тем самым нагрузку на череп и головной мозг водителя. В контактных видах спорта, таких как футбол и хоккей, защитные шлемы, изготовленные из термопластичных полимеров, часто дополнительно покрыты амортизирующими пенами из полиуретана или синтетического каучука. Гибкий пенополиуретан отличается своей способностью изменять амортизирующие и энергопоглощающие характеристики, что можно сделать, изменяя состав используемого материала, что делает его идеальным для индивидуальной защиты в спортивных головных уборах и других элементах защиты тела.

Также пенополиуретан часто применяется в качестве амортизирующего материала для различных типов гимнастических ковриков, в спортивных залах, центрах досуга, а также на стенах для скалолазания и др.

Полиуретан в области медицины

Полиуретаны благодаря своей гибкости и низкой реакционной способности находят применение и в медицине, в том числе для изготовления протезов и при уходе за ранами. В рамках исследовательских проектов проводятся испытания, направленные на выяснение возможности использования сердечных клапанов, созданных из полиуретана, чтобы объединить в себе как биологические, так и механические преимущества протезов клапанов сердца, при этом избегая воздействия их недостатков.

Кроме того, художники и дизайнеры создают из полиуретана элементы декора и художественные объекты. Это могут быть декоративные элементы интерьеров, фасады зданий, а также эластичные формы для литья из искусственного камня и декоративных панелей из бетона. С пенополиуретаном приятно и удобно работать, так как он обладает малым весом, что позволяет художникам создавать большие объемные объекты и легко формовать их.