О материале полиуретан начали говорить в начале прошлого века. Его первооткрыватель – ученый Байер из Германии. Он синтезировал уретановый эластомер, который и по сей день остается востребованным, а также находит все больше возможностей приложения. Полимер с успехом конкурирует по своим характеристикам с такими распространенными материалами, как резина, каучук и даже металл.
Что такое полиуретан?
В составе полиуретана находятся полиолол и изоцианат. Их выделяют из нефти, которую получают непосредственно из скважины, то есть сырой. В процессе дальнейшего синтеза вещество приобретает полимерную структуру, а смешивание главных компонентов в жидкой форме придает ему специфические свойства. Например, пластичность или жесткость. Также, изделия могут быть с разными коэффициентами трения, выдерживать растяжение до 550% и колебания температур в интервале от -55 до +85°С. Вариативность процентного содержания компонентов придает материалу разные свойства. Его можно сделать мягким, жестким, ячеистым или монолитным. Дополнительные качества материал получает, если в его состав вводят следующие элементы: катализаторы, вспениватели, стабилизаторы, другие.
Влияние структуры на свойства полиуретана
Полиуретан — это универсальный материал, который может адаптироваться под различные задачи. Его характеристики зависят от множества факторов:
- Тип полиола: влияет на эластичность, влагостойкость и долговечность.
- Тип изоцианата: определяет прочность, химическую и термическую стабильность.
- Соотношение компонентов: регулирует вязкость, твердость и скорость реакции.
- Отвердитель: влияет на термостойкость, прочность и эластичность.
- Добавки: придают цвет, устойчивость к ультрафиолету.
- Условия переработки: следует учитывать температуру, давление, скорость смешивания и точность дозировки.
Молекулярная структура полиуретана определяет, будет ли он термопластичным или термореактивным.
Линейные полиуретаны (например, TPU):
- Гибкие и термопластичные, что позволяет их многократно перерабатывать.
- Широко применяются в производстве обуви, кабелей, упаковки и тканей.
Сшитые полиуретаны (например, литые эластомеры):
- После изготовления они застывают и не поддаются переплавке.
- Обладают высокой устойчивостью к ударам, трению и деформациям.
- Долго сохраняют форму и прочность.
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.
Виды полимера
В химической отрасли присутствуют три основных типа полиуретана:
- 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.
- Вулколланы — твердые полимеры с широким интервалом эксплуатационной температуры без потери свойств. С их участием создаются втулки, опоры, сайлентблоки, другое.
- 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.
Другие виды полиуретана:
- Гибкий полиуретан (пенополиуретан). Мягкий и пористый, он отлично амортизирует и сохраняет тепло. Используется в мягкой мебели, матрасах, автомобильных сиденьях и других изделиях, где нужна эластичность.
- Жёсткий вспененный полиуретан. Устойчив к высоким температурам и обладает низкой теплопроводностью. Применяется в строительстве для изоляции и утепления зданий.
- Термопластичный полиуретан (TPU). Эластомер с высокой эластичностью, устойчив к свету и атмосферным воздействиям. Используется в обувной промышленности, медицине, производстве надувных аттракционов и лодок.
- Литьевой пластик. Двухкомпонентный полимер на основе изоцианатных смол и отвердителей. Обладает текучестью, устойчив к температурным перепадам и агрессивным веществам, лёгкий. Применяется для создания малых архитектурных форм, мебельных компонентов, сувениров и декоративных предметов.
Свойства и характеристики
Главное свойство полиуретана – способность на непродолжительное время изменять свою геометрию, а затем возвращать свою форму после удаления нагрузки. Также полимер демонстрирует устойчивость при контакте с разными химическими составам, маслами и кислотам, не боится микроорганизмов, не реагирует на ультрафиолет.
Благодаря своим техническим характеристикам этот вид пластмассы незаменим в эксплуатационных условиях, в которых нужны износостойкость и сопротивляемость. К особенностям материала относятся:
- плотность — зависит от типа, параметры стоят в интервале 30-300 кг/м3;
- твердость (по Шору) — 50-99 единиц;
- эксплуатационный разбег температур — от -55 до +85 °С, но допускается кратковременное применение в среде при +110...+150 °С без потери первоначальных свойств и плавления;
- эластичность — до 50 Мпа.
Это полимер с небольшой массой, не проводит электрический ток, не теряет целостности под воздействием озона.
Устойчивость к агрессивным средам
Маслостойкость
Полиуретан известен своей высокой маслостойкостью, это делает его незаменимым при неизбежном контакте с маслами.
Минеральными. Полиуретан практически не разрушается при контакте с минеральными маслами. Это качество исключительно важно для создания уплотнителей и прокладок, которые контактируют с такими маслами.
Синтетическими. Материал демонстрирует высокую устойчивость К НИМ, даже при повышенных температурах и интенсивных нагрузках
Животными жирами. Полиуретан не боится их воздействия, поэтому идеален для пищевой промышленности и в оборудовании для переработки мяса.
Растительными маслами. Он также проявляет устойчивость, поэтому широко применяется в производстве пищевых продуктов и для создания упаковочных материалов.
Устойчивость к кислотам и щелочам
ПУ относительно устойчив к кислотам, но его долговечность зависит от нескольких факторов: вида и концентрации кислоты, а также температуры и длительности контакта.
Он не подвержен существенным повреждениям при контакте с соляной кислотой до 10% и сохраняет свои характеристики при кратковременном взаимодействии с серной кислотой той же концентрации. Органические кислоты, такие как уксусная, винная, лимонная, также не представляют угрозы для полимера.
Благодаря этим свойствам, полиуретан используется в промышленном оборудовании и защитных покрытиях. Но при воздействии кислот в более высокой концентрации необходимо принимать специальные защитные меры и проводить тестирование.
Полиуретан также химически инертен с разбавленными щелочами. Он хорошо противостоит гидроксидам натрия и калия, аммиаку и другим подобным веществам. Слабо концентрированные растворы щелочей (до 10%) не наносят полиуретану вреда. Однако при концентрации щелочей 20% и выше материал может начать разрушаться, так как существует высокий риск гидролиза.
Устойчивость к спиртам
Как разные спирты влияют на полиуретан:
- Этанол. ПУ отлично справляется с воздействием этанола, особенно в разбавленных растворах.
- Изопропанол. Этот спирт также хорошо совместим с полиуретаном. Он часто используется как растворитель и дезинфектант, сохраняя свойства ПУ.
- Метанол. Полиуретан устойчив к метанолу, но при длительном воздействии высоких концентраций спирта материал может разрушиться. Поэтому важно контролировать условия использования.
- Бутанол. Полиуретан сохраняет свои характеристики при контакте с бутанолом, но при длительном воздействии или высоких концентрациях рекомендуется провести дополнительные испытания для уверенности в его надежности.
Стойкость к действию растворителей
- Алифатические углеводороды: ПУ совместим со смазками и моторными маслами на основе гексана и гептана.
- Ароматические углеводороды: материал устойчив, но при длительном контакте или высоких температурах набухает и размягчается.
- Кетоны: полиуретан выдерживает кратковременное воздействие ацетона или метилэтилкетона, но при длительном контакте структура материала разрушается.
- Хлорированные углеводороды: полиуретан быстро теряет свои свойства, что ограничивает его применение в таких условиях.
Положительные и отрицательные качества
Физические параметры зависят от состава полимера. Среди плюсов материала отмечают:
- хороший уровень эластичности, эти показатели намного лучше, чем у резины;
- гладкая структура, которая придает поверхности пластика приятный вид;
- трудногорючесть, поэтому его используют на многих производствах;
- отсутствие старения, то есть полимер не меняет характеристики даже через много лет;
- возможность регулировать коэффициент трения от требований при эксплуатации (например, можно получить как гладкую поверхность, так и обеспечить нужную шероховатость для увеличения адгезии);
- простота обработки.
Дополнительно, полиуретан не пропускает газообразные вещества, в том числе воздух. Это качество используют, когда хотят применить его как герметик. Также полиуретан выступает диэлектриком. Ученые доказали, что при использовании полиуретанового компаунда, слой которого не превышает 1,5 см, прочность изоляции будет выше, чем у метрового слоя из бетона.
Однако, у полимера есть и отрицательные качества:
- может частично терять свойства в рабочих средах на основе аренов (бензола, тулуола), а также восприимчив к скипидару и жидкостям, которые содержат хлор;
- повышенная твердость и хрупкость в условиях долговременного воздействия холода;
- непростая система уничтожения и вторичной переработки.
Кроме того, полиуретан обладает низкой сопротивляемостью к скручивающей силе. Также из-за воздухонепроницаемости, его хотя и используют при изготовлении одежды и обуви, но в ограниченном количестве.
Где используют?
Полиуретан часто встречается в жизни. Люди сталкиваются с ним во всех сферах: во время занятий спортом, поездок в транспорте, дома.
На химических заводах встречается несколько основных форм выпуска этого сырья, от которых зависит его дальнейшее использование:
- Твердые. Из листов, гранул или прутьев пластика выпускаются прокладки, втулки, уплотнители. Материал применяют для изготовления бескамерных шин, которые устанавливают на спортивном снаряжении (роликовых коньках, скейтбордах), детских колясок и оборудования (тележках, валиках транспортеров).
- Жидкие (однокомпонентные и двухкомпонентные). Выступают основой для антикоррозийного покрытия с герметичными свойствами. Применяют в разных ограждающих конструкциях (бетонные перекрытия зданий, крыши домов, поверхности грохотов, другие). Текучие формы полиуретана незаменимы при изготовлении клеев, герметиков, красок, мастик. После вулканизации текучий полиуретан выступает основой таких защитных элементов, как молдинги автомобилей.
- Пенистые. Применяют при утеплении строительных объектов или устройств. Из этого композита изготавливают подошвы кроссовок, шины небольшой нагрузки. Это – продукция, которая должна быть легкой и упругой.
Дополнительно, эластомер используют в таких отраслях:
- тяжелая промышленность, в вибростендах и условно подвижных узлах;
- строительство, для утепления стен зданий;
- автомобилестроение, для выпуска шин, сайлентблоков, защитных кожухов, прочего;
- медицина, благодаря нейтральности изделия из эластомера безопасны для пациентов и не вступают в реакцию с лекарственными препаратами;
- мебельная индустрия, при изготовлении соединительных деталей, декора;
- спорттовары, при выпуске разного вида инвентаря и тренажеров;
- легкая промышленность, компонент для ортопедических стелек, подошв и крепежа.
Недавно термостойкость и изоляционные свойства этого материала начали применять при изготовлении холодильного оборудования. Примечательно, что это решение повысило эффективность приборов больше, чем на 40%.
Часто технические характеристики синтетического эластомера сравнивают с резиной. Но, в отличие от прорезиненных деталей, полиуретановые продолжительно надежно работают и износостойкие. Полиуретан на порядок устойчивее к износу.
По оценкам специалистов, мировой объем полиуретана в 2020 г. составил 30 тыс. тонн. По прогнозам, эти показатели будут расти и дальше, обгоняя динамику мирового ВВП.
Востребованность по видам полиуретана распределилась следующим образом:
- вспененный полиуретан – 84%;
- жесткий пластик – 38%;
- мягкий – 46%.
Спрос на материал по сферам применение выглядит так:
- изготовление мебели – 35%;
- автомобилестроение – 22%;
- строительство – 21%;
- трубопроводный транспорт – 8%;
- холодильная промышленность – 7%.
Интересно, что занятость на производстве полиуретана в странах Европы и в Америке составляет около 1 миллиона человек. Дополнительно, 1 рабочее место в этой области косвенно обеспечивает рабочими местами не меньше четырех человек.
Безопасность и экологичность
В связи с широким применением материала, многих интересует вопрос его экологичности. Известно, что в твердом состоянии эта пластмасса не выделяет вредных веществ. Опасные испарения возникают только при неправильном обращении с полиуретаном. При нарушении технологии производства, есть риск выделения таких токсичных испарений, как:
- изоцианаты — при отсутствии спецзащиты могут стать причиной развития астмы;
- аминовые катализаторы — негативно влияют на глаза;
- полиол — приводит к интоксикации в условиях попадания в организм (при глотании);
- антипирен — станет причиной отравления, если накопится в большом количестве.
Говоря простыми словами, полиуретан может нести опасность здоровью только при его неправильном использовании. В остальных случаях этот материал полностью безвреден.
Условия хранения, утилизация
Полиуретан не требует специальных условий для хранения. Поскольку он выдерживает перепады температур, то допускается транспортировка по железной дороге или автотранспортом. Единственное условие — это наличие упаковки, которая защитит материал от прямых солнечных лучей.
Полиуретан имеет обширное применение, поэтому остро встает проблема его переработки. Так, в природных условиях этот полимер выдерживает влияние ультрафиолета и озона без изменения своих качеств. Поэтому загрязняет окружающую среду, так как не разлагается.
Есть несколько методов утилизации и переработки полиуретана:
- Сжигание. Несмотря на критические температуры, при которых полиуретан все равно не плавится, этот материал, как и все углеводороды, склонен к высокотемпературному окислению. Однако, сжигание редко применяется для утилизации пластика, поскольку во время горения в воздух попадают вредные вещества, которые опасны для здоровья.
- Механический метод. Применяется для вторичной переработки материала. После измельчения пластмассу добавляют в бетон или асфальт.
- Переплавка. При высоких температурах полимерным изделиям придают нужные формы, затем их отправляют на вторичное применение. Главный недостаток такой процедуры – неоднородный состав, из-за которого невозможно добиться определенных характеристик.
- Гликолиз. Представляет собой расщепление молекул с помощью катализатора путем нагревания. В итоге получаются короткомолекулярные соединения, которые далее применяют в химической промышленности, а также при изготовлении специальных добавок в искусственный стройматериал.
- Химметод. Позволяет расщепить цепочку пластика с помощью реагентов для получения на выходе вещества, пригодного для вторичного использования.
Над проблемой экологичной переработки полиуретана работают ведущие химики мира. Так, последний из способов разложения проводится с использованием трихлоруксусной кислоты в дихлорметана. Такой процесс проводится при температуре 20-22 °С и занимает не более трех часов.
Кроме того, 2-3 года назад ученые обнаружили грибы (Pestalotiopsis microspora), которые в своей жизнедеятельности могут использовать этот вид пластика. Микроорганизмы не только разлагают эластомер. При выращивании в определенных условиях их можно использовать для приготовления кулинарных блюд. По оценкам знатоков, их структура обладает приятной пористостью. Вкус грибов также интересен, гурманы высоко его оценивают. Так что утилизация полиуретана имеет хорошие перспективы. Надеемся, что этот эластомер будет только полезен для человека и не нанесет весомого ущерба природе.
