Что такое полиуретан и где его применяют

Полиуретан 

Полиуретан (ПУ) — это семейство универсальных синтетических полимеров, ключевые свойства которых задаются составом исходных компонентов и специальных добавок. Чтобы лучше понять, что такое полиуретан, важно взглянуть на его многообразие. По характеристикам отдельные виды могут напоминать резину или пластики, однако полиуретан — это материал, который относится к самостоятельному, отдельному классу полимеров.

ПУ выпускается в самых разных формах: от жесткого, эластичного и вязкоэластичного пенополиуретана (ППУ) до полиуретановых эластомеров и огнестойких плит PIR. Физико-механические свойства полиуретана позволяют гибко адаптировать его под любые промышленные задачи.

Сегодня полиуретан активно применяется как эффективная теплоизоляция, долговечные покрытия, эластичные наполнители, надежные клеи, герметики и прочные конструкционные детали во многих отраслях промышленности.

Это не резина и не пластмасса. Вещество относят к семейству универсальных полимеров и получают с помощью реакции полиприсоединения из простых и сложных полиэфиров и диизоцианатов. В состав полиуретана входит изоцианат, полиол и различные добавки. Соотношение компонентов определяет структуру, формат и физические свойства материала. 

Физико-механические характеристики полиуретана настолько разнообразны, что его применяют практически во всех областях промышленности, используют для производства многих привычных вещей.

Как выглядит полиуретан

Внешний вид и физическая форма полиуретана (ПУ) зависят от его структуры и назначения. Материал может кардинально меняться и выглядеть следующим образом:

• Жесткий ППУ — представляет собой твердую ячеистую пену с преимущественно закрытыми ячейками.
• Эластичный ППУ — это мягкий, пористый и воздушный материал (поролон).
• Вязкоэластичный ППУ — мягкий, плотный материал с выраженным эффектом памяти формы.
• Эластомеры на основе ПУ — плотный, гладкий и упругий монолитный материал без выраженной ячеистой структуры, внешне напоминающий прочную резину или пластик.
• Жесткий пенополиизоцианурат (PIR) — плотный, жесткий теплоизоляционный пеноматериал.

Итоговая форма, текстура и плотность ПУ определяются рецептурой и технологией получения. В зависимости от внутреннего строения полимер способен сильно растягиваться без повреждений: относительное удлинение при разрыве для некоторых полиуретановых систем может достигать 300–700%.

Главная особенность ПУ заключается в возможности изменять его свойства за счет выбора исходных компонентов и рецептуры. Благодаря этому можно получать материалы, адаптированные под конкретное назначение и технологию переработки.

Сравнение основных разновидностей полиуретана

Полиуретан и пенополиуретан: в чем разница

Пенополиуретан (ППУ) — это одна из разновидностей полиуретана. Их соотношение можно представить по принципу «вид и род»:

• Полиуретан (ПУ) — общее название семейства полимеров.
• Пенополиуретан (ППУ) — полиуретан, имеющий ячеистую, вспененную структуру. Он бывает жестким, эластичным или вязкоэластичным.

При этом полиуретан не обязательно должен быть пеной. Например, полиуретановые эластомеры — это плотные монолитные (невспененные) материалы без ячеистой структуры.

Как получают полиуретан

В основе получения полиуретанов лежит реакция полиприсоединения. Базовый химический процесс заключается во взаимодействии двух основных жидких компонентов: полиола (сложного или простого полиэфира) и изоцианата.

Промышленный процесс превращения жидкого сырья в готовый полимер состоит из нескольких последовательных этапов:

• Подбор компонентов. Технологи выбирают конкретные марки полиолов и изоцианатов в зависимости от требований к будущему продукту.
• Введение добавок. В систему вводят катализаторы и стабилизаторы. В зависимости от рецептуры также могут добавляться вспениватели для пористых пен, антипирены для снижения горючести PIR-плит, пластификаторы или красители.
• Смешивание. Компоненты соединяют в специальных высокоскоростных смесительных установках.
• Формование. Жидкую реакционную массу заливают в открытые или закрытые формы, наносят методом напыления или распределяют на движущуюся ленту конвейера.
• Полимеризация и отверждение. В форме или на конвейере происходит окончательное формирование молекулярных связей и застывание материала.

Физико-механические свойства конечного материала определяются не только строго заданным соотношением компонентов. Они зависят от химической природы исходного полиола и изоцианата, типа функциональных добавок, а также от выбранного температурного и временного режима переработки.

Полиуретан как материал: 
свойства и характеристики

Главная особенность полиуретанов — их крайняя неоднородность. Этот класс включает совершенно разные по структуре материалы, поэтому их физико-механические характеристики вариативны. Свойства жесткого плиточного теплоизолятора, эластичной мебельной пены, износостойкого монолитного эластомера или термопластичного TPU будут сильно отличаться друг от друга.

Для отдельных полиуретановых систем и композиций выделяют следующие ориентировочные характеристики:

• Рабочие температуры. Для большинства марок температурная стойкость лежит в пределах от –60 до +80 °С, однако у специальных полиуретановых систем рабочие температуры находятся в более широком диапазоне: от –70 до +120 °С.
• Стойкость к внешней среде. УФ- и химическая стойкость полимера зависит от его химической структуры, используемых добавок и природы конкретного реагента. Ряд модификаций стабилен под солнцем и в контакте с маслами, тогда как другие требуют дополнительной защиты.
• Взаимодействие с влагой. Способность материала впитывать влагу во многом определяется типом его структуры. Закрытоячеистые жесткие пены практически гидрофобны, в то время как открытоячеистые мягкие пены могут удерживать воду.
• Теплопроводность. Низким коэффициентом теплопроводности обладают прежде всего вспененные материалы — жесткий ППУ и PIR, что делает их отличными изоляторами. Для плотных монолитных эластомеров это свойство не является ключевым.
• Механическая прочность. Многие виды ПУ демонстрируют выдающуюся прочность на разрыв, низкий коэффициент истираемости и способность восстанавливать форму после серьезных деформаций.
• Биологическая стойкость. Большинство полиуретановых систем не подвержены гниению, коррозии и воздействию плесневых грибков.

Безопасность готового полиуретанового изделия определяется рецептурой, отсутствием остаточных свободных мономеров, условиями применения и строгими требованиями целевого назначения.

Принадлежность материала к классу полиуретанов не гарантирует автоматическую пригодность для медицинских изделий или детских товаров. Для производства медицинских имплантатов, протезов или игрушек разрабатывают специальные высокочистые марки, которые проходят жесткую многоступенчатую сертификацию на биологическую инертность и нетоксичность.

Преимущества и ограничения полиуретанов

Достоинства

• Программируемость свойств. Возможность гибко задавать характеристики готового продукта еще на этапе подбора химической рецептуры.
• Широчайший диапазон форм. Промышленное получение материалов в виде ячеистой пены, упругого эластомера, износостойкого защитного покрытия, клея или герметика.
• Универсальная жесткость. Линейка ПУ-продуктов перекрывает шкалу от ультрамягких гелей и поролонов до твердых пластиков.
• Высокая износостойкость. Повышенная стойкость к истиранию, раздиру, механическим нагрузкам и агрессивному трению.
• Амортизационный потенциал. Отличная способность материала поглощать ударные нагрузки и гасить вибрацию.
• Высокая адгезия. Сцепление отдельных ПУ-систем с большинством строительных оснований: бетоном, металлом, деревом, пластиком.

Ограничения

• Зависимость от рецептуры. Универсального полиуретана не существует, свойства конкретного изделия жестко привязаны к используемой формуле сырья.
• Избирательная стойкость. Без введения специальных стабилизаторов далеко не все ПУ способны долго противостоять жесткому УФ-излучению и концентрированным химреагентам.
• Температурный лимит. Предельная рабочая температура строго ограничена температурным классом конкретной марки полимера.
• Сложность утилизации. Переработка и вторичное использование термореактивных полиуретановых систем технологически заметно сложнее, чем у большинства стандартных термопластов.
• Токсичность исходного сырья. Жидкие базовые изоцианатные компоненты токсичны и требуют строгого соблюдения правил производственной безопасности. После завершения реакции полимеризации готовый полиуретан становится инертным и безопасным.

Сфера применения полиуретана

Легкий, прочный и функциональный полимер используют во многих отраслях:

• Тяжелая промышленность. 

Из полиуретана делают ролики, втулки, вибрационные стенды, шкивы и валы, приводные ремни и элементы облицовки. 

• Строительство. 

На основе полиуретана делают теплоизоляционные и шумоизоляционные панели и покрытия, герметизирующие составы, монтажные пены, фильтрующие системы, смеси для декора стен и наливные полы. Полиуретановую изоляцию применяют для обшивки трубопроводов и строительных конструкций.

• Автомобильное производство. 

Из полиуретана производят кузовные части и элементы салона автомобилей, амортизирующие прокладки, защитные кожухи, набивки сидений авто. Внутренняя обшивка салона, имитирующая натуральную кожу или замшу, во многих случаях выполнена именно на основе полиуретана.

• Медицина. 

Полиуретан незаменим для изготовления эндопротезов, имплантатов, съемных стоматологических конструкций. Материал применяют для получения полимерного гипса, производства перчаток, ортопедических стелек, противопролежневых матрасов, мембран аппаратов диализа

• Мебельная индустрия. 

Полиуретан становится основой для изготовления крепежей, наполнителей для мягкой мебели, декора и фурнитуры. На полиуретановой основе делают клеевые составы, пропитки, средства для обработки поверхностей.

• Легкая промышленность. 

Полиуретановые волокна применяют для изготовления эластичных тканей, таких как лайкра, спандекс. Материал идет на производство обувной подошвы, бельевой фурнитуры, жесткой и мягкой упаковки.

• Потребительские товары. 

Полиуретан — основной теплоизолятор применяемый при производстве бытовой техники, например, холодильников и бойлеров.

Полимеры — материалы будущего 

Универсальность и программируемость свойств делают полиуретан одним из самых перспективных материалов для современной промышленности. В научно-исследовательских центрах «СИБУР ПолиЛаб» разрабатывают инновационные полимерные решения и адаптируют характеристики материалов под требования заказчиков, а профильная площадка во Всеволожске специализируется на исследовании свойств компонентов ППУ и готовых материалов.

Подобный научно-технологический подход позволяет создавать долговечные и экологичные продукты, которые продолжат менять облик ключевых отраслей экономики.