Полиуретаны

Полиуретаны — это класс полимеров, характеризующихся наличием в основной цепи макромолекулы уретановой группы (-NH-CO-O-). В отличие от большинства других распространённых полимеров, полиуретаны не образуются путём полимеризации одного мономера, а синтезируются в результате реакции поликонденсации или полиприсоединения двух или более компонентов, чаще всего — ди- или полиизоцианатов и многоатомных спиртов (полиолов). Благодаря широкому спектру доступных исходных компонентов и возможности варьирования условий синтеза, полиуретаны могут быть получены в виде твёрдых пластиков, эластичных резин, вязких клеёв, пеноматериалов (поролон) или покрытий.

История

Первые работы по синтезу полиуретанов были проведены в 1937 году в Германии группой химиков под руководством Отто Байера (компания IG Farben). Изначально целью было создание альтернативы нейлону, который был разработан в США. В 1940-х годах были получены первые полиуретановые волокна (например, «перлон U»), однако широкое промышленное применение началось после Второй мировой войны.

В 1950-х годах была разработана технология получения гибких пенополиуретанов (поролона), что привело к революции в производстве мебели и наполнителей. В 1960-х годах появились жёсткие пенополиуретаны, используемые для теплоизоляции. В СССР промышленное производство полиуретанов началось в 1960-х годах на базе разработок Института химической физики АН СССР и ряда отраслевых институтов. К концу XX века полиуретаны стали одним из наиболее востребованных классов полимеров в мире, с годовым объёмом производства, превышающим 20 миллионов тонн.

Классификация

Полиуретаны классифицируют по нескольким признакам: химическому составу, структуре, физико-механическим свойствам и области применения.

По типу исходных компонентов

• Простые полиэфирные полиуретаны: Синтезируются на основе простых полиэфиров (полиолов). Отличаются высокой эластичностью, стойкостью к гидролизу и низким температурам. Широко применяются в производстве эластомеров и пен.
• Сложные полиэфирные полиуретаны: Синтезируются на основе сложных полиэфиров. Обладают повышенной прочностью, маслостойкостью и износостойкостью, но менее устойчивы к гидролизу. Используются для изготовления колёс, роликов, подошв обуви.
• Полиуретаны на основе диизоцианатов: Различают ароматические (на основе толуилендиизоцианата — ТДИ, метилендифенилдиизоцианата — МДИ) и алифатические (на основе гексаметилендиизоцианата — ГМДИ) полиуретаны. Ароматические полиуретаны дешевле, но желтеют на свету; алифатические — более стойкие к ультрафиолету.

По структуре и свойствам

• Термопластичные полиуретаны (ТПУ): Линейные полимеры, способные к многократной переработке методом литья под давлением, экструзии или каландрования. Сочетают эластичность резины и прочность пластика.
• Реактопласты (литьевые полиуретаны): Сшитые (трёхмерные) полимеры, которые не могут быть переплавлены повторно. Формуются путём заливки жидкой композиции в форму.
• Пенополиуретаны (ППУ): Вспененные материалы, содержащие газовые полости. Делятся на:
• Эластичные (гибкие) ППУ: Мягкие, ячеистые материалы, используемые для наполнителей мебели, матрасов, губок.
• Жёсткие ППУ: Твёрдые, с закрытыми порами, обладающие низкой теплопроводностью. Применяются для теплоизоляции зданий, холодильников, трубопроводов.
• Полиуретановые эластомеры: Материалы, сочетающие высокую упругость (как у резины) с высокой прочностью и износостойкостью. Используются для изготовления шин, амортизаторов, уплотнителей.
• Полиуретановые покрытия: Лаки, краски, эмали, образующие прочные, стойкие к истиранию и химикатам плёнки. Применяются для защиты дерева, металла, бетона.
• Полиуретановые клеи и герметики: Обладают высокой адгезией к различным материалам, эластичностью и атмосферостойкостью.

Свойства

Физико-химические свойства полиуретанов сильно варьируются в зависимости от состава и структуры, однако можно выделить общие характерные черты:

• Высокая прочность и износостойкость: Полиуретановые эластомеры превосходят многие виды резин по сопротивлению истиранию и раздиру.
• Эластичность: Способность к большим обратимым деформациям (до 600–800% для некоторых марок).
• Масло- и бензостойкость: Устойчивость к воздействию нефтепродуктов, масел, жиров и многих органических растворителей.
• Атмосферостойкость: Алифатические полиуретаны устойчивы к УФ-излучению и озону.
• Адгезия: Высокая способность к сцеплению с большинством конструкционных материалов (металл, стекло, дерево, бетон).
• Теплоизоляционные свойства: Жёсткие пенополиуретаны имеют один из самых низких коэффициентов теплопроводности среди строительных материалов (0,022–0,035 Вт/(м·К)).
• Звукоизоляция: Пенополиуретаны эффективно поглощают звуковые волны.
• Температурный диапазон: Большинство полиуретанов сохраняют работоспособность в диапазоне от -60°C до +80°C, некоторые специальные марки — до +150°C.
• Недостатки: Низкая термостойкость (по сравнению с полиамидами или фторопластами), склонность к гидролизу у некоторых типов, горючесть (могут быть модифицированы антипиренами), высокая стоимость по сравнению с некоторыми массовыми полимерами.

Применение

Благодаря разнообразию свойств, полиуретаны нашли применение практически во всех отраслях промышленности и быту.

Строительство и ремонт

• Теплоизоляция: Жёсткие пенополиуретановые плиты и напыляемая изоляция для стен, кровли, фундаментов, холодильных камер.
• Герметизация: Полиуретановые герметики для швов, стыков, оконных и дверных блоков.
• Покрытия: Полиуретановые лаки и краски для защиты и декорирования полов (наливные полы), фасадов, металлических конструкций.
• Клеи: Монтажные полиуретановые клеи для приклеивания теплоизоляции, панелей, декоративных элементов.

Машиностроение и транспорт

• Детали ходовой части: Втулки, сайлентблоки, амортизаторы, пыльники, уплотнители.
• Колёса и ролики: Для промышленных тележек, роликовых коньков, скейтбордов, колёс для погрузчиков.
• Шины: Для вилочных погрузчиков, сельскохозяйственной техники, велосипедов.
• Сиденья и салоны: Эластичный пенополиуретан для подушек сидений, подголовников, подлокотников.
• Автомобильные покрытия: Полиуретановые лаки для кузова автомобиля.

Мебель и товары народного потребления

• Наполнители: Поролон (эластичный ППУ) для диванов, кресел, матрасов, подушек.
• Обувь: Подошвы, стельки, вкладыши для спортивной и повседневной обуви.
• Спортивные товары: Защитные элементы (шлемы, наколенники), мячи, покрытия для беговых дорожек.
• Игрушки: Куклы, мячи, конструкторы.

Лёгкая промышленность

• Искусственная кожа: Полиуретановые покрытия на тканевой основе для производства одежды, обуви, галантереи.
• Волокна: Полиуретановые волокна (например, спандекс, лайкра) используются для придания эластичности тканям.

Медицина

• Имплантаты: Полиуретаны используются в производстве искусственных сердечных клапанов, сосудистых протезов, катетеров (требуется специальная биосовместимая марка).
• Протезы и ортезы: Эластичные и прочные элементы для протезирования конечностей.
• Медицинская мебель: Покрытия для операционных столов, матрасы для больничных коек.

Экологические аспекты

Производство полиуретанов связано с использованием токсичных изоцианатов, что требует строгих мер безопасности на предприятиях. Готовые полиуретаны считаются химически инертными и безопасными для человека при нормальных условиях эксплуатации. Однако они практически не подвергаются биологическому разложению, что создаёт проблему утилизации отходов. Основные методы утилизации включают захоронение на полигонах, сжигание (с выделением токсичных продуктов) и механическую переработку (измельчение и использование в качестве наполнителя). Ведутся разработки в области химического рециклинга (деполимеризации) и создания полиуретанов на основе возобновляемого сырья (например, из касторового масла).

Источники

1. Энциклопедия полимеров. Том 2. — М.: Советская энциклопедия, 1974.
2. Саундерс Дж. Х., Фриш К. К. Химия полиуретанов. — М.: Химия, 1968.
3. Райт П., Камминг А. Полиуретановые эластомеры. — Л.: Химия, 1973.
4. Берлин А. А., Шутов Ф. А. Пенополиуретаны. — М.: Химия, 1976.
5. Материалы Всероссийского научно-исследовательского института полимеров (ВНИИ полимеров).