Пенополиуретан

Пенополиуретан — это газонаполненный полимерный материал, представляющий собой разновидность полиуретановой пены, состоящую из твёрдой полимерной основы и равномерно распределённых по объёму газовых ячеек. Относится к классу пенопластов и широко применяется в строительстве, машиностроении и производстве товаров народного потребления в качестве теплоизоляционного, звукоизоляционного и амортизирующего материала.

История

Полиуретаны были впервые синтезированы в 1937 году немецким химиком Отто Байером и его коллегами в лаборатории компании IG Farben в Леверкузене. Первоначально работы велись над линейными полиуретанами для производства волокон. Однако уже в 1940-х годах были получены первые вспененные образцы. Промышленное производство пенополиуретана началось в 1950-х годах, когда были разработаны технологии получения как эластичных, так и жёстких пен.

В СССР пенополиуретан начали выпускать в 1960-х годах для нужд авиастроения и холодильной техники. Массовое применение в строительстве получил в 1970–1980-х годах в виде напыляемой изоляции и готовых плит.

Получение

Пенополиуретан синтезируют в результате реакции поликонденсации двух основных компонентов: полиола (соединение с гидроксильными группами) и изоцианата (содержащего NCO-группы). В процессе реакции выделяется углекислый газ (при реакции воды с изоцианатом) или вводятся специальные газообразователи (физические вспениватели — хладоны, пентан и другие), которые образуют пузырьки газа внутри полимерной матрицы.

В зависимости от технологии различают:

• Литьевой пенополиуретан — заливка смеси в формы, где происходит вспенивание и отверждение.
• Напыляемый пенополиуретан — компоненты смешиваются в специальном пистолете и наносятся на поверхность, где вспениваются прямо на месте.
• Экструзионный пенополиуретан — смесь продавливается через фильеру и вспенивается за счёт резкого перепада давления.

Классификация

По жёсткости

• Эластичный (гибкий) пенополиуретан. Мягкий, ячеистый, способный к многократным деформациям. Известен в быту как поролон. Маркируется буквой «Э» или «PPU-E».
• Жёсткий пенополиуретан. Твёрдый, с замкнутыми порами, высокими прочностными характеристиками. Маркируется буквой «Т» или «PPU-R».
• Интегральный пенополиуретан. Имеет плотную внешнюю корку и пористую сердцевину. Используется для изготовления подошв обуви, рулевых колёс, подлокотников.

По структуре ячеек

• С открытыми ячейками — ячейки сообщаются между собой, материал проницаем для воздуха, обладает хорошими звукоизолирующими свойствами, но гигроскопичен. Характерен для эластичного пенополиуретана.
• С закрытыми ячейками — каждая ячейка изолирована, материал непроницаем для влаги и воздуха. Обладает низкой теплопроводностью и применяется для теплоизоляции. Типичен для жёсткого пенополиуретана.

По способу переработки

• Литьевой;
• Напыляемый;
• Экструзионный;
• Блочный (в виде блоков, плит, скорлуп).

Свойства

Основные физико-химические свойства пенополиуретана зависят от его типа (жёсткий или эластичный) и плотности.

• Плотность: от 10–15 кг/м³ (лёгкие эластичные) до 100–200 кг/м³ (жёсткие конструкционные). Средняя плотность строительного напыляемого пенополиуретана — 30–60 кг/м³.
• Теплопроводность: одна из самых низких среди теплоизоляционных материалов — 0,022–0,035 Вт/(м·К) для жёстких модификаций с закрытыми порами. Это ниже, чем у минеральной ваты (0,04–0,06 Вт/(м·К)) и пенополистирола (0,03–0,04 Вт/(м·К)).
• Паропроницаемость: для закрытоячеистых форм практически нулевая (менее 0,05 мг/(м·ч·Па)). Открытоячеистые формы паропроницаемы.
• Водопоглощение: для закрытых ячеек — менее 1–2% по объёму за 24 часа. Эластичный пенополиуретан может поглощать воду до 10–20% за счёт капиллярного эффекта.
• Устойчивость к биологическим факторам: не является питательной средой для плесени и грибков, не подвержен гниению.
• Горючесть: пенополиуретан — горючий материал (классы Г2–Г4 в зависимости от модификации). Вводимые антипирены могут снизить горючесть до группы Г1 (слабогорючие). При горении выделяются токсичные газы, включая оксид углерода и циановодород.
• Температурный диапазон эксплуатации: от −60 °C до +100 °C (кратковременно до +120 °C) для обычных марок; для термостойких — до +150 °C. Эластичный пенополиуретан сохраняет эластичность до −50 °C.

Применение

Строительство и теплоизоляция

Наиболее масштабная область применения. Используется в виде:

• Напыляемой теплоизоляции для стен, кровель, перекрытий зданий. Позволяет создать бесшовное покрытие толщиной от 20 до 200 мм.
• Жёстких плит и панелей (в том числе сэндвич-панелей) для промышленных и жилых объектов.
• Скорлуп и сегментов для изоляции трубопроводов, резервуаров, холодильного оборудования.
• Заливки в полости (например, при производстве холодильников, термосов, дверей-терморазрывов).

Мебель и товары народного потребления

Эластичный пенополиуретан (поролон) используется в качестве наполнителя:

• Мягкой мебели (диваны, кресла, матрасы);
• Изделий для сна (ортопедические матрасы);
• Игрушек, кукольной мебели, губок, спортивных матов.

Машиностроение и транспорт

• В автомобилестроении — для изготовления сидений, панелей приборов (интегральный пенополиуретан), звукоизоляции кузова, уплотнителей.
• В железнодорожном транспорте — для изоляции вагонов-рефрижераторов.
• В авиастроении — как теплоизоляция фюзеляжа и внутренняя отделка.

Упаковка

Упаковка из эластичного пенополиуретана (листы, вкладыши, крошка) используется для защиты хрупких товаров (электроника, стекло, оптика) при транспортировке.

Обувная промышленность

Интегральный пенополиуретан применяется для изготовления подошв спортивной, повседневной и специальной обуви. Материал обладает низким весом, хорошей износостойкостью и амортизацией.

Медицина

Используется для изготовления ортопедических изделий (стельки, корсеты, протезы), перевязочных материалов (пенополиуретановые губки) и гигиенических прокладок.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Очень низкая теплопроводность (жёсткие типы);
• Высокая адгезия к большинству строительных материалов (бетон, дерево, металл, кирпич);
• Бесшовность при напылении (отсутствует мостики холода);
• Лёгкость и малый вес;
• Долговечность (при правильной защите от ультрафиолета — 25–40 лет);
• Возможность получения материала с заданными свойствами (плотность, жёсткость);

Недостатки

• Горючесть и выделение токсичных продуктов при горении;
• Разрушение под воздействием прямых солнечных лучей (ультрафиолета);
• Необходимость использования специального оборудования для напыления;
• Трудность утилизации (не подвергается биологическому разложению, сложности с переработкой);
• Высокая цена по сравнению с минеральной ватой или пенополистиролом;

Влияние на здоровье и безопасность

В отверждённом (полимеризованном) виде пенополиуретан химически инертен, не выделяет летучих токсичных веществ при нормальной эксплуатации. Однако при горении или нагреве свыше 200 °C могут образовываться угарный газ (CO), диоксид углерода (CO₂), циановодород (HCN), изоцианаты. Поэтому пенополиуретан не рекомендуется использовать в помещениях с открытым огнем и без дополнительной защиты (облицовки негорючими материалами).

При монтаже (особенно напыляемого) необходимо соблюдать меры безопасности: работать в респираторе, перчатках, защитных очках; вентилировать помещение. Неотверждённые компоненты (изоцианаты) являются аллергенами и раздражителями слизистых оболочек.

Экологические аспекты

Пенополиуретан не разлагается в природе. Продолжительность его полного разрушения в земле составляет от 500 до 1000 лет. Хлорированные вспениватели (хладоны), ранее использовавшиеся в производстве, разрушали озоновый слой (с 1987 года по Монреальскому протоколу их применение существенно ограничено). Современные технологии используют в качестве вспенивателей диоксид углерода, пентан или воду. Переработка пенополиуретана возможна путём механического измельчения в крошку (вторичный наполнитель, вклад в утеплитель) или химической деструкции (гликолиз, гидролиз) с получением исходных компонентов. Однако объёмы вторичной переработки пока незначительны.

Интересные факты

• Пенополиуретан является основой для так называемых «термобелья» (в качестве утеплителя в одежде).
• Первый в мире промышленный холодильник («General Electric») начал выпускаться с пенополиуретановой изоляцией в 1947 году.
• В начале 2000-х годов в Китае был построен дом из напыляемого пенополиуретана без дополнительного каркаса, выдержавший землетрясение магнитудой 7,0 баллов.
• Эластичный пенополиуретан вобирает до 20–30% энергии удара, благодаря чему широко используется в шлемах и наколенниках.

Источники

• ASTM D638 — Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics.
• ГОСТ 21389-87. Пенополиуретаны. Методы испытаний.
• Энциклопедия полимеров. Т. 3. М.: Изд-во «Химия», 1977.
• Klemmer D., Frisch K. C. Handbook of Polymeric Foams and Foam Technology. — Hanser Publishers, 1991.
• Справочник строителя. Теплоизоляционные материалы. — М.: Стройиздат, 2004.