Эластичные пенополиуретаны

Эластичный пенополиуретан (ЭППУ) — это разновидность пенополиуретана, характеризующаяся ячеистой структурой, способностью к значительным обратимым деформациям при сжатии и низкой остаточной деформацией. Относится к классу газонаполненных полимеров (пенопластов), в которых газообразная фаза распределена в твёрдой полимерной матрице. Основу материала составляют полиуретаны — полимеры, получаемые в результате реакции полиола и изоцианата. Эластичный пенополиуретан широко известен под бытовым названием «поролон» (от англ. porous rubber — пористая резина), хотя технически это название является торговой маркой и не охватывает все типы материала.

История

Первые разработки пенополиуретанов относятся к середине XX века. В 1937 году немецкий химик Отто Байер синтезировал полиуретан, но промышленное производство эластичных пенополиуретанов началось в 1950-х годах. В 1954 году компания Bayer AG (Германия) запустила первую промышленную линию по производству гибкого пенополиуретана. В СССР производство поролона было освоено в 1960-х годах на базе разработок НИИ химии и технологии полимеров. Массовое распространение материала в быту и промышленности началось с 1970-х годов.

Классификация

Эластичные пенополиуретаны классифицируют по нескольким признакам.

По типу сырья и технологии производства

• Полиэфирные — производятся на основе сложных полиэфиров. Обладают повышенной упругостью, устойчивостью к маслам и растворителям, но менее эластичны при низких температурах.
• Полиэфирные — на основе простых полиэфиров. Более эластичны, морозостойки, но менее устойчивы к воздействию масел.
• Полиуретаны на основе полиэфиркарбонатов — сочетают свойства обоих типов, используются в специальных областях (например, в медицине).

По жёсткости и плотности

• Стандартные (плотность 15–40 кг/м³) — используются в мебели, матрасах, упаковке.
• Высокоэластичные (плотность 30–60 кг/м³) — обладают повышенной восстанавливаемостью, применяются в ортопедических изделиях.
• Мягкие (плотность 10–20 кг/м³) — для декоративных элементов, упаковки хрупких предметов.
• Специальные (плотность до 100 кг/м³ и выше) — для технических целей, виброизоляции, звукопоглощения.

По структуре ячеек

• Открытоячеистые — ячейки сообщаются между собой, материал легко пропускает воздух и воду. Основной тип для мебели и матрасов.
• Закрытоячеистые — ячейки изолированы, материал не пропускает воду и воздух, используется для теплоизоляции и плавучих средств.

Свойства и характеристики

Эластичный пенополиуретан обладает комплексом физико-механических свойств, определяющих его применение.

• Плотность — от 10 до 100 кг/м³ и более. Чем выше плотность, тем выше жёсткость и долговечность.
• Эластичность — способность восстанавливать форму после деформации. Оценивается по остаточной деформации после сжатия (обычно не более 5–10%).
• Упругость — способность поглощать энергию удара. Высокоэластичные сорта имеют упругость отскока до 60–70%.
• Воздухопроницаемость — открытоячеистые типы пропускают воздух, что важно для вентиляции матрасов и сидений.
• Теплоизоляционные свойства — низкая теплопроводность (0,03–0,04 Вт/(м·К)) у закрытоячеистых сортов.
• Звукопоглощение — эффективно поглощает звуковые волны в широком диапазоне частот.
• Химическая стойкость — устойчив к воде, разбавленным кислотам и щелочам, но разрушается под действием концентрированных кислот, органических растворителей, масел (у полиэфирных типов).
• Температурный диапазон эксплуатации — от –40 до +80 °C (для стандартных марок), специальные сорта выдерживают до +120 °C.
• Горючесть — большинство эластичных пенополиуретанов горючи, выделяют при горении токсичные газы (циановодород, оксид углерода). Для снижения горючести вводят антипирены.

Технология производства

Производство эластичного пенополиуретана основано на реакции поликонденсации между полиолом и изоцианатом в присутствии вспенивающего агента (обычно вода или углеводороды). Процесс включает несколько стадий:

1. Смешивание компонентов — полиол, изоцианат, катализаторы, поверхностно-активные вещества, вспенивающий агент и модификаторы (антипирены, красители) подаются в смеситель.
2. Вспенивание — в результате химической реакции выделяется углекислый газ (при использовании воды) или испаряется низкокипящий углеводород, образуя газовые пузырьки в полимерной матрице.
3. Формование — смесь заливается в форму (для штучных изделий) или на ленту конвейера (для блоков). В форме происходит окончательное вспенивание и отверждение.
4. Отверждение — полимерная матрица затвердевает, ячейки фиксируются. Время отверждения — от нескольких минут до нескольких часов.
5. Резка и обработка — готовые блоки режут на листы, профилируют, обрабатывают для придания нужной формы.

Различают два основных метода производства:

• Блочный — получение крупных блоков (до 2×1×1 м) с последующей резкой.
• Формовой — заливка смеси непосредственно в форму, что позволяет получать изделия сложной конфигурации (например, сиденья автомобилей).

Применение

Эластичный пенополиуретан используется в широком спектре отраслей.

Мебельная промышленность

• Наполнители для мягкой мебели (диваны, кресла, стулья).
• Матрасы (в том числе ортопедические и с эффектом памяти).
• Декоративные подушки, валики.

Автомобильная промышленность

• Сиденья, подголовники, подлокотники.
• Шумоизоляция салона, уплотнители.
• Элементы панелей приборов.

Строительство

• Теплоизоляция трубопроводов, вентиляционных каналов.
• Звукоизоляция стен и перекрытий (акустические плиты).
• Уплотнители для оконных и дверных конструкций.

Медицина

• Ортопедические подушки и матрасы.
• Протезно-ортопедические изделия (вкладыши, фиксаторы).
• Перевязочные материалы (гидроколлоидные повязки).

Упаковка

• Амортизирующие вкладыши для хрупких грузов.
• Защита электроники, приборов.
• Термоизоляционные контейнеры.

Спорт и отдых

• Наполнители для спортивных матов, гимнастических снарядов.
• Элементы защиты (наколенники, налокотники).
• Плавательные средства (спасательные жилеты, круги).

Прочие области

• Фильтры для воды и воздуха (открытоячеистые сорта).
• Канцелярские товары (штампы, подложки).
• Игрушки и сувениры.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Низкая плотность и малый вес.
• Высокая эластичность и упругость.
• Хорошая амортизация и вибропоглощение.
• Воздухопроницаемость (открытоячеистые типы).
• Устойчивость к плесени и грибку (при правильной обработке).
• Технологичность — легко режется, клеится, формуется.

Недостатки

• Горючесть и токсичность продуктов горения.
• Разрушение под действием ультрафиолета (выцветание, потеря эластичности).
• Ограниченная стойкость к маслам и растворителям (особенно у полиэфирных типов).
• Накопление статического электричества.
• Сложность утилизации — не разлагается в природе, требует специальной переработки.

Экологические аспекты

Эластичный пенополиуретан, как и другие полимеры, является синтетическим материалом, не подверженным биологическому разложению. Основные экологические проблемы связаны с его производством (выбросы изоцианатов, летучих органических соединений) и утилизацией. В России и странах ЕС действуют нормативы, ограничивающие содержание вредных веществ в готовых изделиях (например, по формальдегиду, фенолу). Существуют технологии вторичной переработки: механическое измельчение (дробление) для использования в качестве наполнителя, химическая деполимеризация (гликолиз) для получения исходных компонентов. Однако в промышленных масштабах переработка пенополиуретанов развита слабо из-за экономической нецелесообразности.

Интересные факты

• В 1950-х годах поролон впервые применили в автомобильных сиденьях компании General Motors.
• Материал с эффектом памяти (memory foam) был разработан NASA в 1966 году для кресел космических кораблей.
• В СССР поролон выпускался под маркой «ППУ-Э» (пенополиуретан эластичный) и использовался в мебели, авиации и оборонной промышленности.
• Эластичный пенополиуретан может быть окрашен в любой цвет на стадии производства.

Источники

• Химическая энциклопедия. Том 3. — М.: Большая Российская энциклопедия, 1992. — Статья «Пенополиуретаны».
• Справочник по полимерным материалам / Под ред. В. А. Кабанова. — М.: Химия, 1985.
• Технология полимеров: учебное пособие / А. А. Берлин, В. А. Каргин. — М.: Химия, 1978.
• ГОСТ 20429-2017 «Пенополиуретаны эластичные. Технические условия».
• Материалы сайта «Полимерные материалы» (раздел «Пенополиуретаны»).