Полиуретан

Полиуретан (ПУ) - это обширное семейство синтетических полимеров, объединенных наличием уретановых связей (-NH-CO-O-) в основной цепи. Главной особенностью этого материала является его универсальность. Изменяя состав и условия синтеза, можно получить материалы с совершенно разными свойствами: от мягких эластичных пен до твердых пластиков.

Химический состав полиуретана формируется на основе реакции полиаддиции между двумя ключевыми компонентами:

1. Диизоцианаты (или полиизоцианаты): Общеизвестные TDI (толуилендиизоцианат) и MDI (дифенилметандиизоцианат). Они являются высокореакционноспособными и токсичными соединениями.
2. Полиолы - многоатомные спирты: Полиэфирполиолы (самые дешевые, устойчивы к гидролизу, но плохо переносят низкие температуры и окисление); Полиэстерполиолы (достаточно дорогие, плохо взаимодействуют с водой, но предоставляют наилучшие материалы с механическими свойствами); Цепные удлинители (короткие диолы/диамины) и сшивающие агенты: Они являются важными компонентами для управления структурой.

Производство полиуретана - это многоэтапный технологический процесс, основанный на химической реакции между полиолами и изоцианатами, с добавлением катализаторов, вспенивателей и других модификаторов для придания материалу специфических свойств. Это очень опасный процесс в силу токсичности сырья, а именно изоцианатов, они могут вызвать аллергию и астму даже при очень низких концентрациях. Именно поэтому производство полиуретана, а также его переработка требуют строжайших мер безопасности: оборудование должно быть герметичным, необходима мощная вентиляция и обязательны средства индивидуальной защиты. Производство имеет разные методы, выбор которых зависит от типа изделия:

1. Литье под давлением: Применим этот метод для серийного производства деталей сложной формы (втулки, шестерни). Этот процесс представляет собой выпрыскивание расплавленного полиуретана в металлические формы под высоким давлением.
2. Экструзия: Для изготовления листов, прутков и труб. Смысл этого метода заключается в нагревании сырья, размягчении и пропускании через экструдер.
3. Заливка формы: Подходит для изготовления крупных изделий (декор, изоляционные панели). При смешивании компоненты заливают в открытые или закрытые формы, где происходит полимеризация.
4. Напыление пенополиуретана (ППУ): Предназначено для бесшовной теплоизоляции стен и трубопроводов. Суть метода заключается в смешивании компонентов в распылительном пистолете, с помощью которого материал наносится на поверхность.
5. Ротационное формование: Для полых изделий (корпуса приборов).

Сырье распределяется по форме вращением с последующим нагревом.

Этапы производства одинаковы для всех методов:

1. Подготовка сырья - нагревают полиолы и изоцианаты до 80 градусов, далее дегазируют в вакуумной камере (давление 200-600 Па) для удаления пузырьков воздуха.
2. Смешивание компонентов - для простых составов применяется дозирование в пропорциях 1:1 или с другими вариациями для регулирования жесткости. Смешивание осуществляется в дозирующих станциях с контролем температуры.
3. Полимеризация: первичная при 100 градусах в течение 1 часа или постполимеризация при 20-25 градусах в течение 7-10 суток для достижения финальной прочности.
4. Обработка изделий - механическая обработка, окрашивание и сборка.

Впервые полиуретан был синтезирован немецким химиком Отто Байером и его командой в компании IG Farben в 1937 году. В 1940-е разработка первых ПУ-эластомеров, пен, клеев и покрытий велась в основном в Германии и США. В 1950-е появились гибкие пенополиуретаны (поролон), которые помогли в производстве мебели и автомобильной промышленности. В 1960-е разрабатывались жесткие пенополиуретаны для теплоизоляции. В 1970-е по сегодняшний день совершается постоянное усовершенствование термопластичных ПУ (ТПУ).

Применение полиуретана довольно обширно. Его используют в строительстве в качестве утеплителей, герметиков, клеев, декоративных элементов. Так же часто в автомобильной промышленности - в сиденьях, подлокотниках, бамперах, уплотнителях. Возможно применение в мебели, особенно в мягкой, матрасах, в электронике для герметизации компонентов, в медицине для катетеров и имплантатов, а так же в текстиле и упаковках. Можно сказать, полиуретан находит применение почти во всех отраслях промышленности, даже в спорте, из него изготавливают мячи, покрытия беговых дорожек. Однако, несмотря на огромный спектр применения и хорошие свойства, материал в современном производстве применяют все меньше, и сложности его производства и переработки, а так же его токсичность перевешивают его плюсы и заставляют производителей искать более экологичные замены.

1. Механическая переработка: измельчение отходов ограничено из-за ухудшения свойств.
2. Химическая переработка - деполимеризация имеет различные виды:

• Гликолиз - разложение отходов гликолями при высоких температурах для получения полиолов, которые можно частично использовать в новом ПУ. Является наиболее перспективным промышленным методом.
• Аминолиз - разложение аминами.
• Гидролиз - разложение водой, но требует высоких температур и давления и дает сложную смесь продуктов.

3. Сжигание возможно, но требует точного контроля выбросов.
4. Захоронение является наименее желательным вариантом из-за крайне медленного разложения.

Полиуретан, как и многие промышленные материалы, имеет некоторое количество отрицательных характеристик и трудностей в использовании, вот некоторые из них:

1. Выше указанная токсичность сырья и сложность переработки и производства вследствие этого.
2. Пожарная опасность и токсичность продуктов горения из-за горючести ПУ, в особенности пенопластов. Выделяются чрезвычайно горючие газы, такие как цианистый водород, оксиды азота и углерода, а так же различные альдегиды и другие органические соединения.
3. Экологичность очень низкая относительно других материалов современности, например, капролона или СВМПЭ. Имеет низкую биоразлагаемость, поэтому накапливается как отходы. Так же существуют проблемы микропластика, из-за которого возникают лишние отходы. Важно сказать, что производство ПУ очень энергоемко, а еще в его состав ранее вводились вспениватели, которые ныне запрещены, и ученые заняты поиском идеальных, необходимых для его производства.
4. Чувствительность к некоторым воздействиям, таким как гидролиз, УФ-излучение и термоокисление, в следствие которых происходит деградация и изменение свойств материала.
5. Проблемы со здоровьем рабочих при работе с изоцианатами и другими компонентами ПУ.

В заключение скажем, что полиуретан, конечно, выдающееся достижение химической промышленности, материал с огромным диапазоном полезных свойств и применения. Однако его широкое использование ограничено из-за серьезных экологических проблем и высокой пожарной опасности с выделением смертельно токсичных газов, а так же других рисков.
Использование продукта требует строгого соблюдения мер безопасности на всех этапах и активного развития технологий его утилизации и замены на более экологичные альтернативы.