Полиуретан

<час />

Полиуретаны - это линейные полимеры, у которых есть молекулярная основа, содержащая карбаматные группы (-NHCO2). Эти группы, называемые уретаном, образуются в результате химической реакции между диизоцианатом и полиолом. Полиуретаны, впервые разработанные в конце 1930-х годов, являются одними из самых универсальных полимеров. Они используются для изготовления изоляционных материалов, покрытий поверхностей, клеев, твердых пластмасс и спортивной одежды.

Фон

Полиуретаны, также известные как поликарбаматы, относятся к более широкому классу соединений, называемых полимерами. Полимеры - это макромолекулы, состоящие из более мелких повторяющихся звеньев, известных как мономеры. Как правило, они состоят из первичной длинноцепочечной основной молекулы с присоединенными боковыми группами. Полиуретаны характеризуются карбаматными группами (-NHCO ₂ ) в их молекулярной основе.

Синтетические полимеры, такие как полиуретан, производятся путем взаимодействия мономеров в реакционном сосуде. Чтобы получить полиуретан, выполняется стадия, также известная как реакция конденсации. В этом типе химической реакции присутствующие мономеры содержат реагирующие концевые группы. В частности, диизоцианат (OCN-R-NCO) реагирует с диолом (HO-R-OH). Первая стадия этой реакции приводит к химическому соединению двух молекул, оставляя реактивный спирт (ОН) с одной стороны и реактивный изоцианат (NCO) с другой. Эти группы далее реагируют с другими мономерами с образованием более крупной и длинной молекулы. Это быстрый процесс, который позволяет получать материалы с высоким молекулярным весом даже при комнатной температуре. Полиуретаны, которые имеют важное коммерческое применение, обычно содержат другие функциональные группы в молекуле, включая сложные эфиры, простые эфиры, амиды или группы мочевины.

История

Химия полиуретана была впервые изучена немецким химиком Фридрихом Байером в 1937 году. Он создал первые прототипы путем взаимодействия толуолдиизоцианата с двухатомными спиртами. На основе этой работы было разработано одно из первых кристаллических полиуретановых волокон Perlon U. Разработка эластичных полиуретанов началась как программа поиска замены резине во время Второй мировой войны. В 1940 году были произведены первые полиуретановые эластомеры. Эти соединения дали измельченные камеди, которые можно было использовать в качестве адекватной альтернативы резине. Когда ученые обнаружили, что из полиуретанов можно делать тонкие нити, они были объединены с нейлоном, чтобы сделать одежду более легкой и эластичной.

В 1953 году в США было начато первое промышленное производство гибкого пенополиуретана. Этот материал пригодился для утепления пеной. В 1956 году были представлены более гибкие и менее дорогие пенопласты. В конце 1950-х годов производились формовочные полиуретаны. За прошедшие годы были разработаны улучшенные полиуретановые полимеры, включая волокна спандекса, полиуретановые покрытия и термопластичные эластомеры.

Сырье

Для производства полиуретанов используется разнообразное сырье. К ним относятся мономеры, форполимеры, стабилизаторы, которые защищают целостность полимера, и красители.

Изоцианаты

Одним из основных реактивных материалов, необходимых для производства полиуретанов, являются диизоцианаты. Эти соединения характеризуются группой (NCO), которые представляют собой высокореакционные спирты. Наиболее широко используемые изоцианаты, используемые в производстве полиуретана, - это толуолдиизоцианат (TDI) и полимерный изоцианат (PMDI). TDI получают путем химического добавления азотных групп к толуолу, их реакции с водородом с образованием диамина и отделения нежелательных изомеров. PMDI получают в результате реакции фосгенирования анилинформальдегидных полиаминов. В дополнение к этим изоцианатам также доступны материалы более высокого качества. К ним относятся такие материалы, как 1,5-нафталиндиизоцианат и битолилендиизоцианат. Эти более дорогие материалы могут обеспечивать более плавящиеся и твердые сегменты полиуретановых эластомеров.

Полиолы

Другими реагирующими веществами, необходимыми для производства полиуретанов, являются соединения, содержащие несколько спиртовых групп (ОН), называемые полиолами. Материалы, часто используемые для этой цели, представляют собой простые полиэфирполиолы, которые представляют собой полимеры, образованные из циклических простых эфиров. Обычно их получают в процессе полимеризации оксида алкилена. Это высокомолекулярные полимеры с широким диапазоном вязкости. Различные используемые полиэфирполиолы включают полиэтиленгликоль, полипропиленгликоль и политетраметиленгликоль. Эти материалы обычно используются, когда желаемый полиуретан будет использоваться для изготовления гибких пен или термореактивных эластомеров.

Сложные полиэфирполиолы также могут использоваться в качестве реагирующих веществ при производстве полиуретанов. Их можно получить как побочный продукт при производстве терефталевой кислоты. Обычно они основаны на насыщенных ароматических карбоновых кислотах и ​​диолах. Разветвленные полиэфирные полиолы используются для пенополиуретана и покрытий. Полиэфирные полиолы были наиболее часто используемыми реагентами для производства полиуретанов. Однако простые полиэфирполиолы стали значительно дешевле и вытеснили сложные полиэфирполиолы.

Добавки

Некоторые полиуретановые материалы могут быть уязвимы для повреждений от тепла, света, атмосферных загрязнений и хлора. По этой причине для защиты полимера добавляют стабилизаторы. Один тип стабилизатора, который защищает от разрушения светом, - это УФ-фильтр, называемый гидроксибензотриазолом. Для защиты от реакций окисления используются антиоксиданты. Доступны различные антиоксиданты, такие как мономерные и полимерные затрудненные фенолы. Также могут быть добавлены соединения, которые препятствуют обесцвечиванию, вызванному атмосферными загрязнителями. Обычно это материалы с функциональными группами третичного амина, которые могут взаимодействовать с оксидами азота при загрязнении воздуха. В некоторых случаях в полиуретановый продукт добавляют противоросные добавки.

После того, как полимеры сформированы и удалены из реакционных сосудов, они приобретают естественный белый цвет. Поэтому могут быть добавлены красители для изменения их эстетического вида. Распространенными ковалентными соединениями для полиуретановых волокон являются дисперсные и кислотные красители.

Дизайн

Полиуретаны могут производиться в четырех различных формах, включая эластомеры, покрытия, гибкие пены и сшитые пены. Эластомеры - это материалы, которые можно растянуть, но в конечном итоге они вернут свою первоначальную форму. Они полезны в приложениях, требующих прочности, гибкости, устойчивости к истиранию и амортизации. Из термопластичных полиуретановых эластомеров можно формовать различные детали. Это делает их полезными в качестве основных материалов для автомобильных деталей, лыжных ботинок, колес для роликовых коньков, курток для тросов и других механических товаров. Когда эти эластомеры прядут в волокна, они образуют гибкий материал, называемый спандексом. Спандекс используется для изготовления носков, бюстгальтеров, поддерживающих шлангов, купальников и другой спортивной одежды.

Полиуретановые покрытия обладают стойкостью к разрушению растворителями и хорошей ударопрочностью. Эти покрытия используются на поверхностях, требующих стойкости к истиранию, гибкости, быстрого отверждения, адгезии и химической стойкости, таких как дорожки для боулинга и танцполы. Полиуретановые покрытия на водной основе используются для окраски самолетов, автомобилей и другого промышленного оборудования.

Гибкие пены - это самый большой рынок полиуретанов. Эти материалы обладают высокой ударной вязкостью и используются для изготовления большей части мягкой мебели. Они также предоставляют материал для матрасов и подушек сидений в более дорогой мебели. Полугибкий Схема, изображающая производственные процессы, используемые для создания изоляции из жесткого пенополиуретана. Пенополиуретан используется для изготовления приборной панели и дверных накладок автомобилей. Другие области применения включают ковровое покрытие, упаковку, губки, скребки и внутреннюю набивку. Жесткие или сшитые пенополиуретаны используются для производства изоляции в виде плит или ламината. Ламинат широко используется в коммерческой кровельной промышленности. Здания часто обрабатывают пенополиуританом.

Производственный процесс

Хотя полиуретановые полимеры используются во множестве областей, их производственный метод можно разделить на три этапа. Сначала изготавливается объемный полимерный продукт. Затем полимер подвергается различным этапам обработки. Наконец, полимер превращается в конечный продукт и отправляется. Этот производственный процесс можно проиллюстрировать на примере непрерывного производства пенополиуретана.

Полимерные реакции

• 1 В начале производства пенополиуретана реагирующее сырье хранится в виде жидкости в больших резервуарах из нержавеющей стали. Эти резервуары оснащены мешалками для сохранения текучести материалов. К резервуарам прикреплено дозирующее устройство, чтобы можно было откачать необходимое количество реактивного материала. Типичное соотношение полиола к диизоцианату составляет 1:2. Поскольку соотношение составляющих материалов позволяет получить полимеры с разными характеристиками, оно строго контролируется.
• 2 Реагирующие материалы проходят через теплообменник по мере закачки в трубы. Теплообменник регулирует температуру до реактивного уровня. Внутри труб происходит реакция полимеризации. К тому времени, когда полимеризационная жидкость достигает конца трубы, полиуретан уже образуется. На одном конце трубы находится дозирующая головка для полимера.

Обработка

• 3 Дозирующая головка подключена к технологической линии. Для производства изоляции из жесткого пенополиуретана рулон бумаги для выпечки наматывается в начале технологической линии. Эта бумага перемещается по конвейеру и подводится под дозирующую головку.
• 4 По мере прохождения бумаги на нее выдувается полиуретан. По мере того, как полимер распределяется, он смешивается с диоксидом углерода, что приводит к его расширению. Он продолжает подниматься по мере продвижения по конвейеру. (Полиуретановый лист известен как булочка, потому что он «поднимается», как тесто.)
• 5 После начала реакции расширения наматывается второй верхний слой бумаги. Кроме того, в процесс можно свернуть дополнительную бумагу. Каждый слой бумаги содержит пенополиуретан, придающий ему форму. Жесткий поролон пропускается через ряд панелей, которые регулируют ширину и высоту пучка поролона. Проходя через этот участок производственной линии, они обычно сушатся.
• 6 В конце производственной линии пенопласт разрезается автоматической пилой на желаемую длину. Затем булочка из вспененного материала транспортируется на заключительные этапы обработки, которые включают упаковку, штабелирование и отгрузку.

Контроль качества

Чтобы гарантировать качество полиуретанового материала, производители контролируют продукт на всех этапах производства. Эти проверки начинаются с оценки поступающего сырья химиками по контролю качества. Они проверяют различные химические и физические характеристики, используя установленные методы. Некоторые из тестируемых характеристик включают pH, удельный вес, вязкость или толщину. Кроме того, можно исследовать внешний вид, цвет и запах. Производители обнаружили, что только строго контролируя качество в начале производства, они могут гарантировать получение стабильного готового продукта.

После изготовления полиуретановое изделие проходит испытания. Продукция полиуретанового покрытия оценивается так же, как и исходное сырье. Также проверяются такие характеристики, как время высыхания, толщина пленки и твердость. Полиуретановые волокна проходят испытания на эластичность, упругость и впитываемость. Пенополиуретан проверяется на предмет надлежащей плотности, прочности и гибкости.

Будущее

Качество полиуретанов постоянно улучшается с момента их появления. Исследования в различных областях должны способствовать созданию материалов высочайшего качества. Например, ученые обнаружили, что, изменяя исходные форполимеры, они могут создавать полиуретановые волокна, которые обладают еще лучшими характеристиками растяжения. Другие характеристики могут быть изменены путем включения различных наполнителей, использования лучших катализаторов и изменения соотношений форполимеров.

В дополнение к самим полимерам будущее, вероятно, принесет улучшения в производственный процесс, что приведет к созданию более быстрых, менее дорогих и более экологически чистых полиуретанов. Недавняя тенденция в производстве полиуретана - замена толуолдиизоцианатов менее летучими полимерными изоцианатами. Кроме того, производители попытались исключить хлорированные фторуглеродные вспениватели, которые часто используются при производстве пенополиуретана.