Химический процесс переработки полиуретана включает его разложение на исходные компоненты, которые затем могут быть использованы для производства нового полиуретана. Несмотря на то что такой процесс сложен и требует значительных финансовых вложений, он обеспечивает более эффективное использование ресурсов, что важно в условиях ограниченности природных материалов.
Полиуретан — что это за материал: свойства, характеристики и применение
Для оптимизации производственных технологий и увеличения надежности изделия, а также продления их срока службы, необходимо использовать современные производственные материалы. Металлы подвержены коррозии, камень — быстро изнашивается, а дерево зачастую не хватает прочности, чтобы соответствовать большим нагрузкам. Полимеры, производимые на основе нефти, как раз отвечают всем требованиям, что привело к их популяризации. На сегодняшний день полиуретан можно встретить практически повсюду: от небольших сувенирных брелоков до сложных покрытий для грохотов, предназначенных для механического разделения сыпучих материалов.
Полиуретан представляет собой синтетический полимер, который производится из полиолов — веществ, получаемых из переработки сырой нефти. Промышленное производство полиуретана было инициировано в 1937 году немецким технологом Отто Байером. Благодаря своим уникальным свойствам данный материал стал основным компонентом в большинстве отраслей промышленности. Он используется для изготовления предметов быта, автомобильных запчастей и различных производственных деталей.
Свойства и характеристики полиуретана
Полимерные материалы обладают уникальными эксплуатационными свойствами. В случае с полиуретаном эти характеристики включают в себя:
- Сохранение своих свойств при значительных изменениях температуры и их резком повышении;
- Износостойкость, что позволяет материалу легко выдерживать механические повреждения и практически не подвергаться истиранию;
- Высокая прочность, благодаря которой разорвать или деформировать материал крайне сложно;
- Диэлектрическая проницаемость, что означает, что полиуретан не ведет электрический ток в отличие от металлов;
- Эластичность, которая позволяет материалу легко сгибаться и быстро возвращаться к своей первоначальной форме.
Полиуретан является эффективным заменителем пластиковых, металлических и каучуковых материалов в ряде технологических процессов. Благодаря улучшенным эксплуатационным характеристикам и доступной стоимости, этот полимер стал универсальным методом для конструкций, изоляции и теплоизоляции. Полиуретан используется не только в жестком, но и в жидком или пенообразном виде.
Виды и характеристики полиуретана
В промышленности производят несколько разновидностей полиуретана, каждая из которых подходит для определенных задач. Состав полиуретанов определяет их классификацию:
Гибкий полиуретан
Этот тип является результатом добавления вспенивающего катализатора. Конечный продукт называется пенополиуретаном и обладает следующими характеристиками:
- Мягкая и пористая структура;
- Способность к амортизации;
- Теплоизоляционные свойства благодаря высокому содержанию воздуха;
- Плотность варьируется от 5 до 60 кг/м³ в зависимости от марки.
Гибкий полиуретан находит применение в производстве мягкой мебели, матрасов, автомобильных сидений и других изделий, где необходима высокая эластичность.
Жесткий вспененный полиуретан
Помимо основных компонентов (изоцианатов и гидроксильных групп), в данный состав вводят пентан и диоксид углерода. Чем больше содержание этих добавок, тем ниже структурная плотность. Такой материал отличается термостойкостью и низкой теплопроводностью. Если в сырье присутствуют антипирены, это укрепляет пожаробезопасные качества. Жесткий полиуретан используется для производства изоляционных материалов, в строительной отрасли для утепления зданий.
Термопластичный полиуретан (TPU)
Этот вид относится к классу эластомеров и обладает следующими свойствами:
- Увеличенная эластичность;
- Устойчивость к воздействию света и атмосферным условиям;
- Способность поглощать шум и вибрации;
- Сохранение формы при температуре до +80 °С.
Применяют термопластичный полиуретан в обувной промышленности, в иностранных устройствах, надувных игровых комплектах, лодках, а также для производства изделий, требующих одновременно прочности и гибкости.
Литьевой пластик
Этот вид представляет собой двухкомпонентный полимер, состоящий из смол изоциановой группы и отвердителей. Он отличается высокой текучестью, устойчивостью к температурным перепадам и агрессивным веществам, а также небольшим весом. Это определяет его применение в малых архитектурных формах, мебельных элементах, сувенирах, геральдике и декоративных предметах.
Все перечисленные виды полиуретана обладают общими свойствами:
- Отличная эластичность, возможность возвращения к первоначальному состоянию после деформации.
- Хорошие теплоизоляционные свойства.
- Устойчивость к воздействию воды.
- Сопротивление масла и растворителей.
- Легкость обработки и способность принимать различные формы.
Полиуретан отличается высокой прочностью и износостойкостью, а изделия из него обладают длительными сроками службы, даже в условиях высоких механических нагрузок. Этот полимер все чаще заменяет резину, особенно в производстве автокомпонентов.
Чем полиуретан отличается от резины?
Хотя полиуретан и резина относятся к группе эластомеров, они имеют разные составы. Резина производится на основе натурального каучука, тогда как полиуретан создается химическим синтезом. Макромолекулы обоих материалов способны сжиматься и растягиваться при деформациях, но у полиуретана эта особенность проявляется более ярко. Оба материала имеют хорошее сопротивление к истиранию и демонстрируют устойчивость к воздействию масел и жиров.
Важно отметить, что полиуретан лучше справляется с экстремальными температурами. По показателям прочности на разрыв, диапазону твердости, способности к сохранению рабочих размеров и устойчивости к абразивным воздействиям полиуретан превосходит резину от трех до пяти раз.
Также полиуретан более устойчив к действию озона и ультрафиолетового излучения, в то время как резина со временем может трескаться и деградировать под их влиянием.
Тем не менее, резина все еще сохраняет свои позиции в тех областях, где требуется высокая гибкость и упругость, однако во множестве промышленных секторов резинотехнические изделия заменяются на полиуретановые, что объясняется их широким ассортиментом достоинств.
Виды полимера
В химической отрасли выделяют три основных типа полиуретана:
- Адипрены — это вещества с высокой эластичностью, которые сохраняют заданную форму. Они используются в уплотняющих прокладках, в производстве колес для тележек, конвейерных валиков и автомобильных шин. В зависимости от дополнительных свойств адипрены могут применяться для изготовления запчастей в циклонах, а также для форм для гипсового и бетонного литья.
- Вулколланы — твердые полимеры, сохраняющие свои свойства в широком диапазоне эксплуатационных температур. Они используются для создания втулок, опор, сайлентблоков и других элементов.
- Вулкопрены — это полиуретаны, которые проходят процесс вулканизации и могут сочетаться с другими полимерами (например, с каучуком). Это позволяет достичь выдающихся свойств по износостойкости.
Все три типа активно применяются в разных отраслях благодаря своим характеристикам, таким как долговечность, прочность и растяжимость, которые превосходят привычные материалы — резину и металл.
Свойства и характеристики
Основным свойством полиуретана является его способность временно изменять свою геометрию и восстанавливать ее после снятия нагрузки. Кроме того, этот полимер отлично противостоит воздействию различных химических веществ, масел и кислот, устойчив к микроорганизмам, а также не реагирует на ультрафиолет.
В силу своих технических характеристик полиуретан становится незаменимым при эксплуатации в условиях, требующих износостойкости и устойчивости к повреждениям. Среди его особенностей можно выделить:
- плотность, которая варьируется в зависимости от типа (примерно от 30 до 300 кг/м³);
- твердость, измеряемая по Шору в пределах 50-99 единиц;
- эксплуатационный температурный диапазон от -55 до +85 °C, с возможностью кратковременного применения в условиях температуры +110 до +150 °C без утраты его первоначальных свойств и плавления;
- эластичность — до 50 МПа.
Следует отметить, что полиуретан — это легкий материал, который не проводит электрический ток и сохраняет свою целостность даже под воздействием озона.
Расшифровка марки полиуретана
Обратимся к стандарту ГОСТ ISO 16365-1 и попытаемся расшифровать одну из маркировок полиуретана.
Согласно данной таблице термопласт будет иметь следующие обозначения:
Термопласт ГОСТ ISO 76365-TPU-ARES, GF, MHNOW,75-200│
В этой маркировке представлен термопластичный полиуретан (TPU), который основывается на ароматическом изоцианате (AR) и полиоле сложного полиэфира (ES), армированном стекловолокном (GF), со способом переработки методом литья под давлением (М), являющимся натуральным (неокрашенным) (N), содержащим термостабилизатор (H), стабилизатор, препятствующий гидролизу (W), и стабилизатор, препятствующий окислению (O), с твердостью 73 (или 75) и модулем упругости при растяжении 2800 МПа (200).
Разберем каждый элемент маркировки более подробно.
Можно заметить, что блок данных начинается с сокращения TP. Для термопластичных полиуретанов за сокращением TP следует буква U.
Далее подраздел «TPU» делится на подгруппы в зависимости от связей в гибких блоках:
— TPU-ARES: ароматический изоцианат, полиол сложного полиэфира;
— TPU-ARET: ароматический изоцианат, полиол простого полиэфира;
— TPU-AREE: ароматический изоцианат, полиол с сложными эфирными и простыми эфирными связями;
— TPU-ARCE: ароматический изоцианат, полиол поликарбоната;
— TPU-ARCL: ароматический изоцианат, полиол поликапролактона;
— TPU-ALES: алифатический изоцианат, полиол сложного полиэфира;
— TPU-ALET: алифатический изоцианат, полиол простого полиэфира.
Следующий блок данных указывает тип наполнителя или армирующего материала — первый буквой обозначается вид наполнителя, а вторым — его физическая форма.
Производство полиуретана
Производственный процесс полиуретана представляет собой сложную технологию, требующую тщательного контроля химических реакций. В зависимости от типа реагентов и характеристик производства можно получить различные разновидности полиуретана.
Изготовление
В кустарных условиях получить полиуретан невозможно без соответствующего оборудования. В редких случаях его можно обработать вручную. Рассмотрим подробнее процесс его производства. Ключевым моментом при производстве является выбор компонентов, который напрямую влияет на качество готового продукта. Основными сырьевыми материалами служат полиолы и изоцианаты. Выбор полиолов зависит от желаемых характеристик конечного продукта, таких как твердость, гибкость, термостойкость и прочее. Существует множество видов изоцианатов, но в промышленности наиболее часто используют:
- 2,4-толуилендиизоцианат;
- 2,6-толуилендиизоцианат;
- дифенилметан-4,4-диизоцианат;
- гексаметиленовый диизоцианат.
Процесс полимеризации полиуретанов может происходить как в массе, так и в растворителях (таких как хлорбензол, толуол, диметилформамид и т.д.).
Разновидности полиуретана
Полиуретаны делятся на две главные группы, каждая из которых обладает специфическими свойствами и характеристиками:
- Жёсткие полиуретаны (пластик): Они обладают значительной твердостью и жесткостью, что позволяет их использовать для производства пластиковых компонентов, обладающих высокой прочностью и жесткостью. Жёсткие полиуретаны особенно востребованы в автомобилестроении и в производстве высокоточных технических изделий.
- Эластичные полиуретаны (резиноподобные): Эти виды полиуретанов характеризуются высокой упругостью и деформируемостью, что позволяет им восстанавливать свою форму после воздействия внешних сил. Их также называют резиноподобными, что подчеркивает их функциональные качества. Они идеально подходят для изготовления уплотнительных элементов, амортизаторов, подошв обуви и других изделий, где требуется высокая амортизация и упругость.
Свойства
Свойства полиуретана могут значительно варьироваться в зависимости от методов производства и входящих в состав добавок, так что при выборе материала важно учитывать:
- Плотность. Плотность полиуретана может изменяться в зависимости от типа и состава, обычно находится в пределах от 30 до 300 кг/м³. Низкая плотность делает полиуретан легким, что особенно важно при производстве продуктов, где масса имеет значение.
- Твердость (по Шору). Твердость полиуретана измеряется в единицах Шора и может варьироваться от 50 до 99 единиц. Это означает, что полиуретан может быть как мягким и гибким, так и жестким и прочным material в зависимости от специфики применения.
- Эксплуатационный температурный диапазон. Полиуретан обладает хорошей термостойкостью, что позволяет использовать его при температурах от -55 до +85 °C. Некоторые типы могут временно выдерживать температуры до +110 °C и даже +150 °C без потери своих первоначальных свойств.
- Эластичность. Упругость может достигать 50 МПа, что позволяет ему восстанавливать форму после деформаций и обеспечивать устойчивость к различным механическим воздействиям.
Благодаря высокой износостойкости полиуретан подходит для использования в условиях повышенных нагрузок и трения, что делает его идеальным для производства компонентов, подвергающихся интенсивному использованию. Он также устойчив к воздействию масел и бензина, что позволяет использовать его в автомобилестроении, в частности, для уплотнительных элементов и прокладок. Полиуретан не подвержен деградации от воздействия озона, в отличие от резины, которая может терять свои свойства под воздействием ультрафиолетового излучения. Отличные амортизирующие качества делают полиуретан идеальным для создания демпферов, а определенные типы полиуретана обладают высокой эластичностью, что позволяет использовать их при производстве гибких компонентов.
Сферы применения
Полиуретан применяется во множестве областей благодаря своим отличным свойствам: высокой износостойкости, гибкости, стойкости к химическим воздействиям, термостойкости и легкости, что делает его экономически выгодным и технически эффективным материалом, особенно в современных промышленных и бытовых приложениях.
Изделия из полиуретана
Изделия из полиуретана находят широкое применение благодаря своим уникальным характеристикам. Рассмотрим некоторые примеры продукции, которая изготовляется из полиуретана:
