Полиуретан: свойства, видове и основни приложения

Полиуретан: свойства, видове и приложения — пълно ръководство за пяни, еластомери, изолация, уплътнения и индустриални употреби в строителството, автомобилостроенето и производството.

Полиуретанът е полимер. Наименованието му често се съкращава на PU или PUR. Полиуретанът е съставен от органични единици, които са свързани с уретан. Полиуретановите полимери се образуват чрез стъпаловидна полимеризация. При този процес мономер, съдържащ поне две изоцианатни функционални групи, реагира с друг мономер, съдържащ поне две хидроксилни (алкохолни) групи, в присъствието на катализатор. В зависимост от използваните изоцианати (напр. MDI, TDI) и пололи (напр. полиетерни или полиестърни пололи), крайният материал може да има много различни свойства — от меки, еластични пяни до твърди, здрави пластмаси.

Видове и класификация

Полиуретаните се разделят по няколко основни начина:

• По структура и обработваемост: термопластични полиуретани (TPU), които могат да се формоват и рециклират чрез топлинна обработка, и термореактивни (свързани, кастови) полиуретани, които се втвърдяват чрез химична реакция и не могат да се топят повторно.
• По форма и плътност: гъвкави и твърди пяни (отворени и затворени клетки), еластомери (мека и твърда гума), твърди пластмаси и филми.
• По приложение: структурни материали, изолации, лепила, покрития, влакна (например Spandex/еластан).

Често срещани видове материали (примери)

• Гъвкава пяна с ниска плътност, използвана в тапицерията
• Твърда пяна с ниска плътност, използвана за топлоизолация и RTM ядра
• Меки твърди еластомери, използвани за гел подложки и ролки за печат
• Еластомери с ниска плътност, използвани в обувките
• Твърди твърди пластмаси, използвани като рамки на електронни инструменти и структурни части

Основни свойства

• Механични: добра еластичност, висока якост на опън и издръжливост на абразия; обхватът на твърдост варира от меки (Shore A) до твърди (Shore D) материали.
• Термични: добри изолационни свойства при твърдите пяни; термична устойчивост зависи от формулата — някои полиуретани работят при ниски и умерени температури, за по-високи температури се изискват специални състави.
• Химическа устойчивост: добра устойчивост към масла, горива и разтворители при много еластомери; устойчивостта може да е по-слаба при агресивни химикали или продължително действие на влага (зависи от вида на полола).
• Изолация и структура на клетката: затвореноклетъчните пенопласти дават отлична топло- и водна бариера, докато отвореноклетъчните имат по-добра омекотителна и въздушна проницаемост (напр. за седалки).

Синтез и добаващи съставки

Ключовите компоненти са изоцианати и пололи. Често използвани изоцианати са MDI (метилендифенилен ди-изоцианат) и TDI (толуен диизоцианат). Пололите могат да бъдат полиетърни или полиестерни — те влияят на хидролитичната устойчивост, механичните свойства и цената. В производството се добавят катализатори, повърхностно-активни вещества, пенообразуващи агенти (включително вода, която реагира с изоцианат и образува CO2), реактивни добавки, пълнители и оцветители. При термореактивните системи настъпва втвърдяване чрез образуване на мрежова структура (crosslinking).

Производствени и приложни методи

• Летене/пене (foam): производство на гъвкави и твърди пяни за мебелна тапицерия, матраци, изолация (например спрей-пяна за сгради).
• Каст формоване: прилага се за големи части и еластомерни детайли.
• Reaction Injection Molding (RIM): бърза реакция при ниска вискозност за големи структурни части в автомобилостроенето.
• Екструдиране и инжекционно формоване: за термопластични полиуретани (TPU) — кабели, тръбни уплътнения, протектори.
• Покрития и лепила: PU покрития дават здравина, устойчивост на износване и естетика; PU лепила са широко използвани за свързване на различни материали.

Основни приложения

Полиуретаните намират широко приложение при производството на седалки от гъвкава пяна с висока еластичност, изолационни панели от твърда пяна, уплътнения и уплътнители от микроклетъчна пяна, издръжливи еластомерни колела и гуми, втулки за автомобилно окачване, електрически смеси за замазка, високоефективни лепила и уплътнители, влакна Spandex, уплътнения, уплътнители, подложки за килими и твърди пластмасови части.

• Мебелна и автомобилна индустрия: седалки, облегалки, подложки, панели.
• Строителство: топлоизолационни панели, уплътнения, спрей-пяни за изолация и запечатване.
• Обувна индустрия: подметки и междинни подметки за комфорт и износоустойчивост.
• Електроника и инструменти: корпуси, рамки, електрическо запълване (potting).
• Покрития и защитни филми: лакове, прахови покрития и устойчиви на износване повърхности.
• Текстил: еластични влакна (Spandex/Elastane) за облекла и спортни стоки.

Безопасност и екологични аспекти

При производството и обработката на полиуретани трябва да се внимава с изоцианатите — те са реактивни и могат да предизвикат алергични реакции и проблеми с дихателните пътища при невнимание. Препоръчва се използването на подходящи лични предпазни средства и вентилация. Реакциите при пенообразуване могат да отделят топлина (екзотермични), което налага контрол на процеса. Полиуретаните не трябва да се бъркат със специфичното вещество уретан (етилов карбамат); полиуретаните не се произвеждат от етилкарбамат и не го съдържат.

Екологичното въздействие включва въпроси като използването на флуорирани газове (минали практики за пенообразуване), енергия при производство и ограниченото рециклиране на термореактивни системи. За TPU и други термопластични видове има възможности за механично рециклиране. Разработват се биоосновни пололи и технологии за улавяне/рециклиране, за да се намали екологичният отпечатък.

Промишлени стандарти и качество

Крайният продукт се контролира чрез изпитвания за плътност, твърдост (Shore), якост на опън, удължение при скъсване, устойчивост на абразия, термична стабилност и други показатели в зависимост от приложението. Правилният подбор на пололи, изоцианати, добавки и технологии на формоване гарантира функционалността и дълготрайността на готовите части.

Заключение

Полиуретанът е многостранен клас материали с широка гама от свойства и приложения — от меки, комфортни пяни до твърди, структурни пластмаси и устойчиви покрития. Изборът на състав и технология определя дали материалът ще бъде оптимален за мебелната, автомобилната, строителната или друга индустрия. В същото време безопасността при работа и екологичните практики са важни фактори при производство и използване.

Въпроси и отговори

В: Какво е полиуретан?

В: Как се произвежда полиуретанът?

В: Кои са някои примери за продукти, в които се използват полиуретани?

В: Уретанът ли е същият като полиуретана?

В: Има ли други приложения на полиуретаните освен горепосочените?

В: Производственият процес на полиуретаните включва ли катализатори?

Търсене по буква