Полиуретановые эластомеры

Полиуретановые эластомеры — это класс полимерных материалов, обладающих высокой эластичностью (способностью к обратимым деформациям при растяжении, сжатии или изгибе) и сочетающих свойства резин (каучуков) и пластиков. Относятся к группе полиуретанов (ПУ) — гетероцепных полимеров, содержащих в основной цепи макромолекулы уретановые группы (-NH-CO-O-). В отличие от термопластичных полиуретанов, эластомеры характеризуются преимущественно трёхмерной сшитой структурой, что придаёт им повышенную стойкость к истиранию, разрыву и воздействию агрессивных сред.

История

Первые полиуретаны были синтезированы в 1937 году в Германии группой химиков под руководством Отто Байера (компания IG Farben, впоследствии Bayer AG). Изначально разработки велись в области волокон и пенопластов. Эластомерные полиуретаны появились в 1940-х годах как альтернатива натуральным и синтетическим каучукам. В 1950-х годах компания DuPont (США) начала промышленное производство полиуретановых эластомеров под торговой маркой «Adiprene». В СССР разработки в этой области велись с 1960-х годов в НИИ резиновой промышленности (Москва) и на предприятиях, выпускавших изделия для машиностроения и оборонной промышленности. К 1970-м годам полиуретановые эластомеры заняли прочные позиции в производстве шин, уплотнителей, амортизаторов и деталей горнодобывающего оборудования.

Классификация

Полиуретановые эластомеры классифицируют по нескольким признакам:

По типу исходных компонентов

• Сложноэфирные (полиэфирные) — на основе полиэфиров (например, полиэтиленгликольадипинат). Отличаются высокой стойкостью к истиранию и маслам, но менее устойчивы к гидролизу.
• Простоэфирные (полиэфирные) — на основе полиолов (например, полипропиленгликоль). Обладают лучшей гидролитической стабильностью и стойкостью к низким температурам, но уступают по износостойкости.
• Смешанные — комбинация полиэфиров и полиэфиров для баланса свойств.

По технологии переработки

• Литьевые (кастинговые) — получают методом заливки жидкой композиции в форму с последующим отверждением. Используются для изготовления крупногабаритных изделий (втулки, колёса, амортизаторы).
• Термопластичные (ТПУ) — эластомеры, которые можно перерабатывать методами литья под давлением, экструзии или выдувного формования. Сохраняют эластичность при многократном нагреве.
• Вулканизуемые — требуют химической сшивки (вулканизации) при повышенной температуре. Близки к резинам, но имеют более высокую прочность.

По твёрдости

Твёрдость полиуретановых эластомеров измеряется по шкале Шора (A, D или 00). Диапазон варьируется от мягких (15–30 по Шору A, похожи на мягкий каучук) до жёстких (70–90 по Шору D, близки к твёрдым пластикам).

Свойства

Основные физико-механические характеристики полиуретановых эластомеров:

Полиуретановые эластомеры устойчивы к озону, ультрафиолетовому излучению и многим химическим реагентам, но разрушаются под действием концентрированных кислот, щелочей и некоторых органических растворителей (например, ацетона).

Технология получения

Основной метод синтеза — реакция поликонденсации диизоцианата (например, толуилендиизоцианата, TDI, или метилендифенилдиизоцианата, MDI) с длинноцепочечным полиолом (молекулярная масса 1000–3000 Да) и удлинителем цепи (например, 1,4-бутандиолом). Процесс включает стадии:

1. Смешение компонентов — полиол, изоцианат и удлинитель смешиваются в заданных пропорциях (обычно при 60–80 °C).
2. Формование — жидкая смесь заливается в форму или подаётся в экструдер.
3. Отверждение — при нагревании (80–120 °C) в течение 1–24 часов происходит сшивка макромолекул, формирующая эластичную сетку.
4. Пост-отверждение — для улучшения свойств (например, повышения прочности) изделие выдерживают при 100–120 °C ещё 12–24 часа.

Для термопластичных эластомеров стадия отверждения не требуется — они гранулируются и перерабатываются как обычные термопласты.

Применение

Благодаря сочетанию износостойкости, эластичности и химической стойкости, полиуретановые эластомеры используются в широком спектре отраслей:

Машиностроение и транспорт

• Колёса и ролики — для погрузчиков, тележек, конвейеров (износостойкость в 3–5 раз выше, чем у резины).
• Амортизаторы и упругие элементы — в подвесках автомобилей, железнодорожных вагонов, промышленных станков.
• Уплотнители — манжеты, сальники, кольца для гидравлических и пневматических систем (работают при давлении до 400 бар).
• Шины — для велосипедов, инвалидных колясок, а также для колёс спецтехники (например, в горнодобывающей промышленности).

Горнодобывающая и перерабатывающая промышленность

• Футеровка — защита внутренних поверхностей мельниц, дробилок, классификаторов от абразивного износа.
• Ситовые поверхности — грохоты для сортировки руды, угля, щебня (срок службы в 2–4 раза дольше, чем у металлических сит).
• Конвейерные ленты — для транспортировки абразивных материалов (песок, гравий, руда).

Электротехника и электроника

• Изоляция кабелей — гибкие и стойкие к маслам оболочки для промышленных кабелей.
• Защитные чехлы — для разъёмов, датчиков, электронных модулей (влагозащита, вибростойкость).

Медицина

• Протезы и ортезы — эластичные элементы для протезов конечностей, корсетов, бандажей.
• Катетеры и трубки — биосовместимые полиуретановые эластомеры (например, на основе полиэфиров) используются в урологии и кардиологии.

Спорт и быт

• Подошвы обуви — для спортивной, рабочей и повседневной обуви (лёгкость, износостойкость, амортизация).
• Спортивный инвентарь — ролики для скейтбордов, колёса для роликовых коньков, мячи для некоторых видов спорта.
• Мебель — эластичные наполнители для сидений, подлокотников, матрасов (пенополиуретаны, но не эластомеры; однако существуют и литьевые эластомеры для жёстких элементов).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая износостойкость (в 2–10 раз выше, чем у резин).
• Широкий диапазон твёрдости — от мягких до жёстких материалов.
• Хорошая стойкость к маслам, жирам, растворителям и озону.
• Высокая эластичность при низких температурах (до −50 °C).
• Возможность получения изделий сложной формы методом литья.

Недостатки

• Ограниченная термостойкость (обычно не выше +120 °C, у некоторых марок до +150 °C).
• Подверженность гидролизу у сложноэфирных типов (разрушение при длительном контакте с водой).
• Более высокая стоимость по сравнению с резинами (в 2–5 раз).
• Сложность утилизации — сшитые эластомеры не перерабатываются вторично (кроме термопластичных).

Экологические аспекты

Производство полиуретановых эластомеров связано с использованием токсичных изоцианатов (например, TDI и MDI), которые требуют строгих мер безопасности на предприятиях. Отходы производства и изделия по истечении срока службы могут быть утилизированы несколькими способами: сжигание (с выделением токсичных газов, включая циановодород), захоронение на полигонах (нежелательно из-за медленного разложения), химическая переработка (гликолиз, гидролиз) в полиолы для повторного использования. В России действуют нормативы по утилизации полиуретановых отходов (ГОСТ Р 55090-2012). В 2020-х годах ведутся разработки биоразлагаемых полиуретановых эластомеров на основе растительных полиолов (например, из касторового масла).

Интересные факты

• Полиуретановые эластомеры использовались в производстве колёс для луноходов (Луноход-1, 1970) и марсоходов (например, в роверах NASA, начиная с 1990-х годов).
• В России крупнейшим производителем полиуретановых эластомеров является компания «Полиуретан-Сервис» (Москва), выпускающая литьевые эластомеры под маркой «ПУ-Эласт».
• В 2018 году в Китае был создан полиуретановый эластомер с рекордной прочностью на разрыв — 120 МПа (для сравнения, у стали этот показатель — около 400 МПа, но при плотности в 7 раз выше).

Источники

• Байер О. «Полиуретаны» / пер. с нем. — М.: Химия, 1965.
• ГОСТ 26319-84 «Эластомеры полиуретановые литьевые. Технические условия».
• Сажин В.А., Козлов В.В. «Полиуретановые эластомеры: свойства, переработка, применение». — М.: Машиностроение, 2005.
• «Полиуретановые эластомеры» // Большая российская энциклопедия. — М.: БРЭ, 2017.
• Справочник «Полимерные материалы» / под ред. А.А. Тагер. — М.: Наука, 2019.