Полиуретан: это что за материал
Полиуретан — не один материал, а группа веществ с похожей формулой. У полиуретанов сходные физические и химические характеристики. Поэтому в обзоре о них уместно будет рассказывать, как об одном материале. Прочитав эту статью, вы узнаете о свойствах полиуретана и сферах его применения.
Физические характеристики полиуретана
Предметы из полиуретана выдерживают сильные удары и падения с высоты. Материал почти не подвержен истиранию, из него изготавливают детали для механизмов, рассчитанных на долгую непрерывную работу. Полиуретановые изделия весят мало, их легко перевозить и устанавливать.
Свойства материала сохраняются в допустимом температурном интервале. При сильном нагреве изделия деформируются и теряют прочность. Рекомендуется не нагревать материал выше + 80 С. Допускается кратковременный нагрев до +120С. При охлаждении ниже -70С изделия становятся ломкими.
Точные характеристики полиуретана зависят от формулы вещества. Можно выделить ряд свойств, характерных для всех материалов из этой группы:
- Плотность: от 30 до 300 кг/м3.
- Твердость: от 50 до 98 единиц по шкале Шора.
- Высокое сопротивление нагрузкам на разрыв.
- Эластичность: растяжение до 500% от изначальной длины.
- Температурный интервал для эксплуатации: от -70С до +80 С (или +120С).
- Низкая теплопроводность (от 0,19 до 0,25): материал медленно нагревается.
- Способность выдерживать давление до 100 МПа.
- Хорошие амортизирующие свойства.
- Диэлектрические свойства: материал не проводит электрический ток.
- Устойчивость к ультрафиолетовому излучению.
- Слабая устойчивость к скручиванию.
- Длительный срок эксплуатации: 30-60 лет.
Коэффициент трения зависит от формулы материала. Некоторые из полиуретанов обеспечивают хорошее сцепление. Другие виды обладают скользкой поверхностью.
Изделия из полиуретана выполняют свои функции не менее 30 лет. Если изделие не контактирует с внешней средой, то есть установлено внутри механизма, срок службы увеличивается до 60 лет.
Химические свойства
Полиуретан не разрушается при контакте с агрессивными веществами: маслами, растворителями, нефтепродуктами, солеными средами. В отличие от резины, он не окисляется от действия озона. Материал не подвержен коррозии при намокании. Полиуретановые изделия можно использовать при высокой влажности. Часто их применяют для антикоррозионной защиты механизмов.
Но материал нельзя называть химически инертным, потому что у него есть «враги». Полиуретан разрушается при контакте с ароматическими углеводородами (к этой группе относятся, например, толуол и бензол). Негативное воздействие на него оказывает скипидар и вещества, содержащие хлор или ацетон. Также материал разрушается при контакте с азотной, фосфорной и муравьиной кислотами.
Формула полиуретана
По определению из учебника химии, полиуретаны — это гетероцепные полимеры, макромолекула которых включает замещенную или незамещенную уретановую группу. Давайте расшифруем, что означает это определение:
- Полимеры — вещества, которые состоят из макромолекул. Обычная молекула включает небольшое число атомов. В макромолекулу входят десятки и сотни атомов. Она выглядит как цепочка, которая состоит из повторяющихся звеньев, образованных группами атомов.
- В формуле гетероцепных полимеров есть чередование звеньев, которые состоят из разных последовательностей атомов. Этим они отличаются от гомоцепных полимеров, в формуле которых много раз повторяется одно звено.
- Уретановая группа — соединение, которое является производным от эфира карбаминовой кислоты.
- Замещенные группы образуются, когда в состав сложного вещества входят атомы простого вещества. Если сохраняется оригинальная формула, группа называется незамещенной.
Полиуретаны являются синтетическими эластомерами. Эти вещества получаются искусственным путем. В природе нет условий, при которых могла бы произойти реакция синтеза. Эластомеры — это вещества, способные к сильным и обратимым деформациям. Можно сравнить их с пружиной, которая растягивается и возвращается в исходное состояние. Эластичность увеличивается при нагревании материала.
Как изготавливают материал
Полиуретан впервые был синтезирован в 1937 году в лаборатории Отто Байера. В тот момент великий немецкий химик вряд ли мог предположить, что его изобретение изменит привычный мир. Новый материал по всем характеристикам превосходил другие пластики, доступные в те времена. Это открытие стало одной из причин ускорения технологического прогресса в двадцатом веке.
Полиуретан изготавливают в промышленных масштабах. Для полимеризации требуется 2 вида сырья:
- Изоцианаты: вещества, содержащие изоцианатные группы.
- Полиолы: полифункциональные гидроксилсодержащие производные.
Компоненты, которые нужны для синтеза, получают с помощью переработки нефти. В химической реакции участвуют катализаторы и стабилизаторы. Катализаторы ускоряют синтез макромолекул. Стабилизаторы препятствуют распаду синтезированных макромолекул.
Какой именно полиуретан получится в ходе реакции, зависит от выбора компонентов для синтеза. На результат химической реакции влияет подбор добавок и их концентрация. Изначальный цвет полиуретана: желто-коричневый. Чтобы получить вещество с другим цветом, в сырье добавляют красящие пигменты.
Форма выпуска полиуретана
Полиуретаны выпускают в твердой, вспененный и жидкой форме. Выбор формы зависит от цели, для достижения которой вам понадобился этот замечательный полимер.
✍ Жидкий
Жидкий полиуретан предназначен для отливки изделий в формах. Для самостоятельной отливки выбирайте двухкомпонентный состав. При смешивании компоненты вступают в реакцию, образуя твердый материал. С помощью отливки изготавливают множество деталей и предметов быта. Для некоторых реакций отливки не требуется высокая температура и давление. Отливать предметы из полиуретана можно даже в квартире.
✍ Вспененный
Вспененный полиуретан знаком каждому человеку. В быту этот материал называется поролоном. Он кажется легким и ненадежным, но обладает свойствами полиуретанов. Это прочный материал, который выдерживает давление, истирание, нагрузки на разрыв. Поролон обладает прекрасными амортизирующими свойствами. Он служит для упаковки хрупких предметов, для набивки мебели, для шумоизоляции комнат.
✍ Твердый
Листовой полиуретан получают методом заливки. Расплавленное вещество заливается в заранее подготовленные формы. По мере остывания вещество становится твердым. Возможная толщина листов: от 2 до 40 мм. Площадь ограничивается только размерами форм для отливки, которыми может похвастаться завод. Листовой материал применяется в строительстве и промышленности.
Востребованность материала на рынке
Полиуретан является одним из наиболее востребованных материалов. Он используется почти в каждой отрасли промышленности. Этот материал стал популярным, потому что он выдерживает сильные нагрузки, не теряет форму при высоких температурах, не разрушается от агрессивных веществ. Из универсального материала изготавливают тысячи разных предметов.
✍ Машиностроение
В машиностроении полиуретан используют как заменитель резины. Из него производят:
- валы;
- подшипники;
- покрышки;
- муфты;
- манжеты;
- ролики и колеса механизмов;
- амортизирующие вставки;
- конвейерные ленты;
- защитные кожухи;
- сайлентблоки.
Из листового материала изготавливают пластины для прессовых штампов. Полученные штампы устанавливают в кузнечно-штамповочных цехах. Штампы используются для первичного изменения формы металла, заготовки подлежат дальнейшей обработке. Поскольку полиуретан не проводит электричество, из него делают изолирующие элементы.
✍ Строительство зданий
При строительстве промышленных зданий листы из полиуретана используют для футеровки. Так называется защитная обшивка конструкций. Полиуретан применяется для футеровки в бункерах, хопперах, закромах и т.д. Полиуретановыми листами защищают механизмы на линиях дробления, измельчения и доставки сырья. Обшивка принимает удары, продлевая срок службы конструкций.
При монтаже фундаментов для цехов, в которых будет установлено тяжелое оборудование, также применяется полиуретан. Пластины из этого материала играют роль амортизирующих прокладок. Над ними устанавливают агрегаты, которые оказывают динамические нагрузки на основание. Амортизирующие прокладки уменьшают вибрацию, которая поступает на фундамент.
Полиуретан используется и при строительстве жилых, офисных, общественных зданий. Он служит сырьем для изготовления вибростойких полов. Из него делают антискользящие полы для ванных комнат, душевых или бассейнов. Полиуретан служит для производства уплотнителей для дверей и окон. Детали этого материала, входят в состав фасадных систем, сэндвич-конструкций.
Блоки из вспененного полиуретана применяются для теплоизоляции и шумоизоляции зданий. Из жидкого материала отливают лепнину для украшения фасадов и интерьеров. Панели для потолка и стен, плинтусы и уголки делают из этого материала.
✍ Химическая промышленность
В химической промышленности полиуретан используют для внутренней футеровки емкостей. Этот материал не реагирует с большинством веществ. Полимерные вставки защищают металлические сосуды от коррозии. Полиуретаном обшивают стены в тех помещениях, где проводится работа с агрессивными веществами. Также из него делают изолирующие оболочки для трубопроводов.
✍ Изготовление мебели
Полиуретан используется для производства легкой садовой мебели: стульев и столов. Крепеж и заклепки из полиуретана служат для сборки мебели, сделанной из других материалов. Поролон востребован для набивки мягкой мебели, матрасов для кроватей.
✍ Производство бытовой техники
Полиуретановые детали применяются при сборке техники: стиральных машинок, холодильников, микроволновых печей и других приборов. Из этого материала производят изоляционные панели, уплотнители для дверей, амортизирующие элементы.
✍ Применение в быту
В доме каждого человека можно найти минимум десять предметов, сделанных из полиуретана. Из этого материала изготавливают:
- обувные стельки;
- подошвы спортивной обуви;
- колеса для роликов, скейтбордов, колясок;
- коврики для автомобилей;
- придверные коврики;
- лаки, краски, клеи, герметики;
- матрасы и спортивные маты;
- декоративные статуэтки;
- настенные украшения;
- спортивный инвентарь;
- водонепроницаемые защитные чехлы;
- одежду и обувь с имитацией натуральной кожи.
Полиуретан является нетоксичным материалом: он не выделяет вредных веществ. Из него можно изготавливать посуду и детские игрушки, поручни для костылей и инвалидных колясок. Материал применяется даже для изготовления протезов и имплантов.
Материалы на основе полиуретана
Полиуретан служит сырьем для изготовления других полимеров. Самыми распространенными из веществ на его основе являются адипрены, вулколланы и вулкопрены. Расскажем кратко, что это за материалы, и где они применяются.
✍ Адипрены
Адипрены — это полимеры с высокой эластичностью. Они быстро восстанавливают форму даже после множества деформаций. Из адипренов изготавливаются протекторы для шин, защитные пыльники, уплотнители и валики, покрытия для решеток. Aдипрены применяют в архитектуре: они служат для изготовления форм для литья из бетона или гипса.
✍ Вулколланы
Вулколланы прочнее других категорий полиуретанов. Они способны выдерживать более сильные нагрузки. Эти вещества лучше переносят высокие температуры и выдерживают нагрев до + 120 С. Однако не рекомендуется охлаждать их до температуры ниже -60 С. Из вулколана изготавливают элементы механизмов, которые подвергаются значительным нагрузкам и нагреваются при работе.
✍ Вулкопрены
Вулкопрены являются сырьем для реакции вулканизации. В этой реакции они участвуют вместе с другими полимерами, например, с каучуком. В чистом виде материалы обладают устойчивостью к истиранию. Из них изготавливают ножки кроватей, колеса тележек для супермаркетов, ролики для конвейеров и другие детали, которые постоянно подвергаются трению.
Технологии переработки
Изделия из полиуретана достаточно сложно утилизировать. В состав материала входят продукты нефтепереработки. Эти вещества почти невозможно утилизировать полностью. Но можно решить проблему с утилизацией при помощи вторичной переработки.
Механическая переработка подразумевает измельчение ненужных изделий. Полученная крошка применяется как наполнитель при синтезе других веществ: пенополиуретана или эластомеров. В процессе можно использовать до 20% вторичного сырья: покупатель не заметит разницы.
Измельченную крошку можно вспенить повторно. Для этого следует выполнить 3 условия: нагрев, давление, наличие связующего вещества. Используя вторичное вспенивание, можно производить напольные покрытия, звукопоглощающие настилы, спортивные маты.
Если нагреть измельченную крошку под высоким давлением, то вещество станет жидким. Из него можно будет изготовить новые изделия методом отливки. По этой технологии часто изготавливают детали для бытовой техники.
Разбивка молекул полиуретана на составные части называется хемолиз. В результате хемолиза образуются полиолы, пригодные для синтеза других полимеров.
Подведем итоги
Полиуретан является популярным материалом, из которого изготавливают тысячи предметов. Он устойчив к механическим нагрузкам, высоким и низким температурам, воздействию агрессивных веществ. Но при всех достоинствах у материала есть важный недостаток — сложная утилизация.
Сейчас увеличивается спрос на экологичную продукцию, которую легко перерабатывать. Мировым трендом является стремление уменьшить количество мусора на планете. Полиуретаны будут востребованными, пока у них не появятся аналоги, которые можно полностью утилизировать.
Смотрите также статьи по теме