Полиуретан - описание, применение, характеристики и изделия

Материал разработан в сороковых годах прошлого века Байером Отто Георг Вильгельмом, немецким учёным, который синтезировал уретановый эластомер. Но воспользоваться результатами открытия человечество смогло лишь спустя 20 лет.

Общая характеристика полиуретана

Вещество синтетического происхождения. Полимерная структура создаётся в результате смешивания ингредиентов. Благодаря разной рецептуре, материалу можно придавать различные технические качества. Он может быть жестким или пластичным, обладать разными коэффициентами трения. Растяжение полиуретана возможно до 500 %, а сохранение свойств при температуре от -60-ти до +80-ти °С.

Полимер обладает эластичностью, которая возвращает изделие в изначальную форму после деформации. Основу структуры материала составляют макромолекулы уретановой группы, которые выстроены в длинные цепочки. Дополнительные качества приобретаются за счет добавления в основной состав пластика специальных добавлений.

Химические и физические свойства полиуретана

Материал обладает структурной памятью и сохраняет формы после деформационных нагрузок. По этому критерию и по износоустойчивости полиуретан превосходит резину.

Основные компоненты:

• длинные молекулярные цепочки полиолов;
• коротки молекулярные цепочки диолов;
• диизоцианаты.

Соединение отличается высокими стабилизационными свойствами, благодаря которым образовываются устойчивые соединения. Пластик сохраняет базисные параметры при различных температурных режимах, не вступая в реакцию с внешней средой, в которой могут быть жиры, масла, кислоты или щелочи.

Материал не гидролизируется, не поддерживает развитие паразитарных грибковых микроорганизмов, бактерий и т.п. Также вещество выдерживает умеренное воздействие ультрафиолета, в отличие от резины, не окисляется озоном. Все это увеличивает продолжительность службы разновидности пластика.

Физические свойства полиуретана

Наиболее важное качество – эластичность с возможностью возвращения в изначальную геометрическую форму.

Изделия из полиуретана обладают и другими физическими свойствами:

• износостойкость;
• сохранение прочности при нагреве или низких температурах;
• диэлектричность;
• низкий коэффициент теплопроводности (0,19-0,25), зависящий от плотности материала;
• преобразование в цельную пленку;
• малый удельный вес;
• прозрачность.

Классификация полиуретана промышленного происхождения

Адипрены

Пластик, обладающий эластичными свойствами, отлично сохраняющий заданную при изготовлении форму. Материал служит для изготовления пыльников, шинных протекторов для автотранспорта, уплотнителей, прокладок, конвейерных валиков и других деталей для промышленности с высоким уровнем износостойкости.

Вулколланы

Изделия этой разновидности полиуретана обладают повышенной твердостью и стойкостью к интенсивным температурным нагрузкам. Материал используется при создании опор, сайлентблоков, втулок.

Вулкопрены

Материал, предназначенный для крепления к резиновым поверхностям путем вулканизации. Основное качество – высокий показатель стойкости к стиранию.

Технические характеристики полиуретана

Группа данного пластика наделена различными техническими свойствами, которые определяются молекулярным составом и технологией производства вещества. Это делает материал универсальным, распространенным и многофункциональным.

Специфические показатели:

• Плотность. В пределах 30-300 кг на м ³. Обеспечивается за счет присадок и специальных методов производства;
• Твердость по шкале Шору. От 40 до 98 единиц;
• Температурный режим, при котором пластик не теряет эксплуатационных возможностей. -60 - +80 °С. Есть полиуретан, который выдерживает плюсовую стосорокаградусную нагрузку;
• Максимальный показатель эластичности – 650 %;
• Диэлектрические свойства позволяют использовать пластик в качестве пластичного изоляционного материала;
• Малый удельный вес;
• Не разрушается под воздействием азота;
• Не боится углеводородных растворителей, таких как керосин, машинное масло, смазочные жиры, дизтопливо, эфир петролеума, изооктан;
• Под воздействием бензола или толуола пластик данной группы набухает и может увеличить объем до 60 %, теряя технические качества;
• Вещество обладает разными коэффициентами трения, что позволяет разрабатывать материал с необходимыми качествами;
• Не поддерживает жизнедеятельность грибков или других микроорганизмов;
• Возможно производство пластика с любым коэффициентом поглощения света, начиная с прозрачного, и заканчивая черным;
• Оптимальная водостойкость при комнатной температуре.

Преимущества и недостатки полиуретана

Положительные или отрицательные качественные характеристики зависят от состава полиуретана.

Плюсы материала:

• эластичность;
• износостойкость;
• гладкость;
• сохранение изначальных свойств после эксплуатации;
• стойкость к воздействию растворителей;
• невосприятие влияния ультрафиолета;
• возможность определять коэффициент трения на этапе производства;
• к материалу применимы разные способы обработки: литье, вспенивание, формирование под термическим воздействием и т.д.;
• герметичность;
• диэлектричность.

Минусы:

• Склонность к разрушению от контакта с ароматическими углеводородами, некоторыми кислотами, скипидаром и хлорсодержащими растворами;
• Есть ограничения по использованию из-за воздушной непроницаемости при изготовлении предметов одежды;
• При низких температурах материал становится ломким;
• Высокие требования к утилизации;
• Сложная вторичная переработка.

Варианты применения полиуретана

Производители материала предлагают его в трех видах:

• твердом (листы, прутки, гранулы);
• жидком;
• пенном.

Твердый пластик используется для изготовления прокладок, манжет, втулок, уплотнителей, сайлентблоков и прочих деталей. Благодаря прочности и шероховатости, полиуретан пользуется спросом у производителей бескамерных шин. Также материал пригоден для изготовления вращающихся поверхностей спортивного инвентаря, колес для детских колясок, грузоподъемного и транспортировочного оборудования.

Пластик в жидком состоянии обладает свойствами образовывать герметичные антикоррозионные покрытия на бетонных конструкциях, кровлях, транспортных лентах. Материал используют как связующий компонент герметиков, красок, клеев, лаков. Если застывший жидкий пластик вулканизируется, из него получаются элементы защиты сложной конфигурации, такие как манжеты, молдинги.

Пена утепляет здания, технологическое оборудование. Материал используют для изготовления суперлегких износоустойчивых подошв для спортивной обуви. Материал настолько распространен и востребован, что перечислить весь перечень изделий невозможно.

Проще указать производственные отрасли, где используется пенный полиуретан:

• Тяжелая промышленность: для изготовления вибростендов, условно подвижных узлов;
• Строительство. Материал используется как утеплитель, из него также делают пленку, создающую надежную защиту от осадков;
• Автомобильное строительство. Пластик используется для внутренней отделки салонов, производства шин, прокладок и уплотнителей;
• Медицина. Благодаря нейтральности к ингредиентам медикаментов, отсутствию вредных выделений, полиуретан используется как материал для протезов, имплантатов, презервативов, оборудования;
• Мебельное производство. Из материала изготавливают подкладки, крепежные, декоративные элементы;
• Изготовление спортивного инвентаря. Беговые дорожки, противоскользящие покрытия, тренажерные ограничители;
• Легкая промышленность. Обувные подошвы, влагоотталкивающие коврики, ортопедические изделия, кожзаменители.

Технология производства

Основой для производства полиуретана служат компоненты, получаемые в процессе нефтепереработки. Это изоцианат и полиол. Процентное соотношение основных ингредиентов, а также добавки определяются по физическим свойствам, которые необходимо получить в конечном продукте. Этим определяется, в каком виде будет изготовлен полимерный продукт – твердом, жидком или тягучем.

Способы формовки сырья

Чтобы потребитель получил готовый пластиковый продукт, материал наделяют необходимыми для конкретной функциональности свойствами. Это достигается путем различных способов переработки сырья, которые характерны для всех видов пластмасс.

Экструзионный метод

Полиуретан обладает всеми необходимыми качествами, чтобы его формовка осуществлялась продавливанием. Для этого сырье разогревается до пластичного состояния и подается на экструдер. После того как полимерная масса прошла этап формовки, ее охлаждают и она затвердевает. Продукция может быть в виде листа, прутка, ее скручивают в рулоны или нарезают на заготовки.

Метод литья

Удобен для изготовления товаров или деталей со сложной геометрией. Процесс легко автоматизируется, возможно налаживание производства большими партиями. Если методом литья производятся крупные изделия, вес которых достигает нескольких тонн, процесс выполняется на стенде. Оправа, придающая форму, заполняется размягченной массой, которая впоследствии затвердевает.

Чтобы ускорить производственный процесс, в автоматизированных линиях используются механизмы, подающие пластмассу под давлением. Полиуретан наносится на металлическую поверхность, чтобы покрыть изолирующим полимером заготовку.

Метод прессования

В качестве заготовки используется полиуретан в форме листа, прутка или гранул. Материал подается на пресс, где сдавливается в форму. Заготовка может обрабатываться в холодном или подогретом состоянии. Готовое изделие получает строго заданную геометрическую форму. В производственных условиях процесс автоматизирован, а контроль качества осуществляется с помощью электроники.

Метод заливки

Естественное литье используется для изготовления декоративных штучных изделий. В заготовленную оправу полимер заливается в разогретом или разведенном реагентами до жидкого уровня состоянии. Когда пластик застывает, он навсегда сохраняет заданную конфигурацию, изменить которую можно только повторным литьем. Метод позволяет производить серию одинаковых изделий.

Вторичная переработка

Полиуретан пригоден для вторичной переработки, но следует учитывать, что материал теряет некоторые первичные свойства, такие как устойчивость к атмосферным или агрессивным влияниям, исходящих из окружающей среды. В благоприятных условиях полимер способен не разлагаться десятилетиями. Стойкость к ультрафиолету и озону способствует тому, что отработанный пластик становится вечной проблемой для окружающей среды.

Решение проблемы рециркуляции возможно следующими способами:

• Сжигание. Углеводородсодержащий материал легко сгорает, но в атмосферу выделяются опасные для экологии присадки;
• Измельчение. Недорогие материалы используются как добавки в бетонные или асфальтные смеси, используемые в строительных целях;
• Переплавка. Материалу придается новая форма, и он может вторично использоваться как новое изделие. Но проблема заключается в том, что в переработку попадают различные разновидности пластика, что усложняет получение продукта с конкретными техническими характеристиками;
• Гликолиз. Химическая реакция, которая приводит к расщеплению длинных молекулярных цепей под влиянием катализаторов при нагреве. Полученный полимер представляет коротко молекулярное соединение, которое используется как ингредиент при производстве лакокрасочной продукции, добавок в асфальтобетонные смеси;
• Химическая переработка. Расщепление молекулярных цепочек осуществляется с помощью реагентов для получения пригодного для других целей вещества.

Интересный факт об полиуретане

Универсальность материала, который производится по разным рецептурам, раскрыла неограниченные возможности применения полимера. Он встречается во время занятий спортом, он присутствует в обуви и одежде, во всех видах транспорта, мягкой мебели.

Долговечность и неуязвимость изделий создает проблему для экологии, но ее можно решить, благодаря особому виду грибка. Pestalotiopsis microspora способствует разложению пластиковых отходов. Самое впечатляющее то, что гриб можно употреблять в пищу.

Гурманы приготовленного на этом продукте блюда утверждают, что по вкусовым качествам гриб напоминает хлеб. Возможно, это первый шаг на пути решения проблемы с отходами из полиуретана.