История пенополиуретана

В 1937 году небольшой группой учёных исследователей лаборатории IG Farben (в Леверкузене) под руководством Отто Байера впервые удалось синтезировать новое вещество с весьма необычными свойствами. В зависимости от скорости прохождения реакции и коэффициента смешивания полиола и полиизоцианата кардинально различались и свойства получаемого материала. С одной стороны гибкий, упругий, но не прочный на разрыв (лабораторное название Perlon U, отсюда название "поролон"), а с другой — плотный, твёрдый, прочный, но в то же время хрупкий при сгибании (Igamid U). Горизонты экономического внедрения данного научного открытия были многообещающими и весьма обширные. Уже в 1940 году в Леверкузене началось промышленное производство полиуретана в качестве лепнины. Но начало второй мировой войны внесло свои коррективы: проблемы нехватки сырья и общее перестраивание экономики под военные нужды существенно замедлили развитие полиуретанов. Фактически до 60-х годов прошлого столетия пенополиуретан, как и многие другие полимеры, развивался очень медленно — однако с окончанием войны, восстановлением экономики и бурным послевоенным строительством коммерческий интерес к пенополиуретанам сильно возрос. Таким образом, к 1960 году различными компаниями было суммарно изготовлено более 50000 тонн пены, получившей известное всем определение "поролон". Мягкий пенополиуретан (ППУ), или в быту — поролон, получил распространение в 60-х годах несмотря на присущие поролону (ППУ) существенные недостатки. Само его производство является опасным и вредным, т. к. в состав исходных компонентов входит высокотоксичное соединение изоцианата – толуол диизоцианат. Кроме того, поролон гигроскопичен, впитывает запах, имеет ограниченный температурный диапазон использования и, как следствие, относительно небольшой срок эксплуатации. Но самым большим недостатком поролона является его пожароопасность. Так, по ГОСТ 30244 он отнесен к группе Г4 – сильногорючий, по ГОСТ 30402 – В3 – легковоспламеняемый; по ГОСТ 12.1.044 – Д3 – с высокой дымообразующей способностью и Т4 – чрезвычайно токсичный при горении. Введение же при производстве поролона (ППУ) в состав исходных компонентов антипиренов для увеличения огнестойкости материала приводит к резкому ухудшению его физико-механических характеристик и увеличению стоимости.

Химическое строение и особенности

Состав

Композиции для производства П. содержат изоцианаты, гидроксилсодержащие олигомеры, воду, катализаторы, эмульгаторы, а в нек-рых случаях наполнители, красители и антнпирены.

В состав композиций для производства эластичных П. входят простые олигоэфиры с мол. м. 750 — 6000, синтезируемые из окисей алкиленов (этилена, пропилена), тетрагидрофурана и гликолей. Реже используют сложные олигоэфиры дикарбоновых к-т (адипиновон, себациновой, янтарной) и гликолей (напр., диэтиленгликоля). Жесткие П. получают из простых олигоэфн-ров разветвленной структуры на основе окисей алкиленов н триолов (глицерина, триметилолпропана и др.) пли сложных олигоэфиров на основе дикарбоновых к-т (адиииновой. фталевой и др.) и триолов или их смесей с диэтиленгликолем. Плотность образующихся П. зависит от соотношения изоцианатов и гидроксилсодержащих олигомеров в исходной смеси. При избытке изоцианатов П. содержат больше мочевинных групп, чем при недостатке изоцианатов, когда образуется больше уретановых групп. Поскольку полимочевины обладают более низкой плотностью (1,05—1,23 г/см³), чем полиуретаны (1,28 г/см³), в первом случае получаются П. с меньшей плотностью.

Для прохождения реакции присоединения и образования цепочек полимера необходимо наличие как минимум двух различных компонентов: полиола и полиизоционата. Сама же реакция проходит в несколько этапов. Вначале из диола и диизоцианата формируются бифункциональные молекулы изоцианата имеющие группу (—N═C═O) и гидроксильные группы (—ОН). В результате прохождения цепной реакции, на обоих концах молекулярных групп образуются короткие цепочки структурно идентичных и однородных полимеров, которые могут быть полимеризованы с другими мономерами.

При взаимодействии изоцианатов с гидроксилсодержащими олигомерами образуются уретановые звенья:

При избытке изоцианата в реакционной среде на концах растущих макромолекул оказываются изоцианатные группы, которые могут вступать в реакцию с водой. В результате прохождения реакции воды с частью изоцианатных групп образуется углекислый газ, который и является основным фактором вспенивания, а макромолекулы соединяются через мочевинные группы:

Взаимодействие изоционатных групп с гидроксилсодержащими олигомерами и водой – конкурирующие реакции. Роль катализатора сводится регулированию скорости указанных выше реакций. При этом выделение газа и рост полимерных молекул должны происходить с такими скоростями, чтобы газ оставался в полимере и образовавшаяся пена была бы достаточно прочной и не опадала. Наиболее часто в качестве катализаторов применяют соединения олова (олеат и октоат, соли днбутилолова и др.), регулирующие реакцию образования уретановых звеньев, и третичные амины (триэтиламин, триэтаноламин, диметилбензиламин и др.), катализирующие реакции образования трехмерной структуры и выделения углекислого газа. На практике используют каталитич. смесь, состоящую из соединения олова и одного или нескольких аминов. Вспенивать полиуретановую композицию можно также легкокипящими жидкостями, обычно фреонами.

Химизм образования эластичных и жестких пеноПУ одинаков. Жесткие пены отличаются от эластичных тем, что состоят из полимеров с большим числом поперечных связей. В жестких П. средняя «молекулярная масса» структурной единицы, приходящаяся на один узел разветвления сетки, составляет 400—700, в эластичных П. — 2500—20 000. Поэтому композиции для производства эластичных П. не содержат трифункциональных гидроксилсодержащих олигомеров (или содержат их в небольшом количестве), а также содержат меньше третичных аминов.

Обязательный компонент – эмульгатор, который способствует высокой степени диспергирования компонентов в массе и выполняет роль стабилизатора пены в момент вспенивания. Для этого используют сульфоспирты, сульфокислоты, кремний-органич. жидкости и др. Нек-рые стабилизаторы (напр., парафиновые углеводороды, кремнпйорганич. жидкости) определяют характер (открытые или закрытые) и размер образующихся пор.

Производство

• вспенивание композиции газами, выделяющимися в результате реакций между компонентами исходной смеси,

• или с помощью легкокипящих жидкостей

Первый метод - изготовление изделий небольшой толщины (выделяется значительное количество тепла, внутренние слои крупногабаритных изделий могут обугливаться)

Во втором методе выделяющееся тепло затрачивается на испарение легкокипящей жидкости, что позволяет предотвратить местные нагревы и обугливание пеноПУ

Процесс производства

1. одностадийный
2. двухстадийный

1. Диизоцианат, гидроксилсодержащий олигомер, воду или амин и др. компоненты композиции подают в смеситель одновременно. взаимодействие компонентов происходит сразу же, причем подъем пены начинается приблизительно через 10 секунд и заканчивается через 1 – 2 мин. после смешения. Окончательное отверждение пены продолжается от нескольких часов до нескольких суток
2. При двухстадийном (форполимерном) способе сначала проводят реакцию диизоционата с олигоэфиром, а полученный форполимер затем превращают в пенополиуретан при смешении с водой или амином

Свойства

В зависимости от длины цепи газонаполненных микрогранул различаются и механические свойстваполиуретана.

Так, типичная плотность составляет от 5 до 40 кг/м³ для мягких пеноблоков, которые повсеместно используются в качестве различного вида наполнителей мебели и др. Жесткие пенополиуретаны, плотностью от 30 до 86 кг/м³, нашли широкое применение в строительстве в качестве теплоизоляционного и шумоизоляционного материала. Кроме того, пенополиуретан плотностью от 70 кг/м³, благодаря плотной структуре, не пропускает влагу и может быть использован в качестве прекрасной гидроизоляции.

ПеноПУ обладают хорошей атмосферостойкостью, устойчивостью к действию света и окислителей. На свету темнеют, но другие свойства заметно не ухудшаются. Физиологически инертны и хорошо совмещаются с бактерицидными добавками.

Жесткие ПеноПУ можно пилить, обтачивать, обрабатывать на токарном станке, эластичные можно резать

Их моют мылом или синтетическими моющими средствами, на них не действуют бактерии, их не ест моль

Применение

Эластичные – производство мягкой мебели, игрушек, одежды, подошв для обуви, ковров, губок, щеток; упаковочный, звуко- и теплоизоляционный материал.

Жесткие – электроизоляционный, теплоизоляционный, упаковочный материал, заполнение полых конструкций в строительстве.

Поиск по сайту: