Полиуретановый пластик: от клеев до повседневной носки — универсальный материал объяснен

Полиуретан часто не кажется пластиком. Что это и как он производится?

Полиуретан — это полимер, соединенный уретановыми связями. Эти связи образуются в результате реакции ди- или полиизоцианата с полиолом. Полиуретан уникален тем, что он не производится как многие другие пластики. Большинство полимеров, таких как полиэтилен, производятся в виде порошка, а затем формосуются в желаемую форму. Напротив, полиуретаны обычно формируются непосредственно в конечный продукт.

Для чего используется полиуретановый пластик?

Полиуретан является базовым компонентом для различных коммерческих применений и строительных материалов. Его также можно найти в одежде, спортивных товарах и устройствах управления трафиком.

Полиуретановый пластик часто используется как базовый компонент в серфбордах и морском оборудовании.

Пластиковые детали

Полиуретановый пластик может быть жестким или гибким. Жесткий полиуретан используется в структурных деталях для промышленных и коммерческих применений. Он также используется для компонентов серфбордов и лодок, а также для рамок электронных приборов. Гибкий полиуретан — распространенный материал для создания рукояток в спортивном оборудовании, таких как гольф-клюшки и теннисные ракетки.

Гибкие столбы-бордюры долговечны и экономичны — разработаны для неабразивного, низкоударного управления трафиком.

Гибкие столбы-бордюры

Полиуретановые гибкие столбы-бордюры предлагают решения для управления трафиком на парковках и городских улицах. Столбы низкого воздействия долговечны и экономичны, используются как разделители велодорожек или для обозначения конца парковочного места. Для зон с меняющимися потребностями трафика съемный гибкий столб позволяет варьировать конфигурации.

Спандекс, состоящий минимум из 85% полиуретана, широко используется в спортивной одежде.

Ткань

Полиуретан можно превратить в волокна с помощью сухой пряди. Эти волокна широко используются в тканях для одежды от спортивной до носков. Химически ткань, известная как Спандекс, Лайкра или эластан, состоит минимум из 85% полиуретана.

Высокая несущая способность полиуретана делает долговечные эластомерные колеса.

Колеса

Полиуретан имеет высокую несущую способность и является базовым материалом для эластомерных колес и шин. Их можно найти на тележках для покупок, лифтах, американских горках и роликовых коньках.

Полиуретановые напольные покрытия защищены от абразии и удара.

Напольные покрытия и инфраструктура

Полиуретановые покрытия идеальны для поверхностей, требующих абразивной и коррозионной стойкости, таких как паркетные полы и наружная инфраструктура. С регулярным обслуживанием эти поверхности можно защитить от ежедневного износа.

Полужесткие полиуретановые пены имеют более твердые свойства, идеальны для торпед автомобилей и обивки дверей.

Пены и амортизаторы

Гибкие пены мягкие с высокими поглощающими характеристиками. Полужесткие полиуретановые пены более твердые и используются для торпед автомобилей и обивки дверей. Пены высокой упругости подходят для сиденьев, уплотнений и изоляционных панелей.

Пени-полиуретановые спреи заполняют щели вокруг окон для лучшей изоляции.

Клеи и герметики

Полиуретан используется в высокопроизводительных клеях и поверхностных герметиках. Эти герметики заполняют зазоры, позволяя расширению и сжатию строительных материалов. Эластомерные свойства герметика позволяют 25–50% движение. Пенные спреи также разрабатываются из полиуретана и заполняют щели для лучшей изоляции зданий.

Свойства полиуретана

Полимерные плотности полиуретана можно контролировать, что приводит к ряду свойств. Преимущества полиуретана включают высокую эластичность и формуемость, делая его идеальным базовым материалом для многих пластиковых продуктов, как показано выше.

СВОЙСТВА ПОЛИУРЕТАНА

ПРЕИМУЩЕСТВА

НЕДОСТАТКИ

Высокая абразивная и растворительная стойкость

Низкая тепловая способность

Высокая несущая способность и эластичность

Токсичные свойства (изоцианаты)

Высокая изоляция

Низкая толерантность к солнечному свету

Хорошее качество формовки

Горючесть

Структура и производство полиуретана

Полиуретан производится экзотермической реакцией между двумя молекулами, изоцианатами и полиолами, создающей уретановую связь. Важно сначала понять изоцианаты и полиолы, так как полиуретан является результатом этих двух соединений.

1) Изоцианаты

Изоцианат имеет формулу R–N=C=O. Это органическое соединение, которое реактивно и часто содержит полимерные материалы. Когда изоцианат имеет две изоцианатные группы, его называют диизоцианатом (TDI). TDI используется для реакции с полиолами в производстве полиуретана.

2) Полиолы

Полиолы могут быть либо полиэфирными, либо полиэфирными полиолами. Полиэфирные полиолы получаются при реакции эпоксидов с соединениями, содержащими активный водород. Поликонденсация происходит между многофункциональными карбоксильными кислотами и полигидрокси соединениями. Полиолы с более высокой молекулярной массой дают гибкие полиуретаны. Полиолы с более низкой молекулярной массой производят жесткие полиуретаны.

3) Полиуретан

Тип изоцианата и полиола, используемый в производстве полиуретана, влияет на его свойства. Полиолы отвечают за контроль гибкости и эластичности полимера. Длинные цепи и низкое перекрестное связывание создают эластичный полимер, в то время как короткие цепи приводят к более жесткому полимеру. Доступно много вариантов изоцианатов и полиолов, и используются различные условия обработки для производства.

При производстве полиуретана также задействованы добавки. Эти химикаты контролируют реакции образования полиуретана и свойства.

ДОБАВКИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ПОЛИУРЕТАНА

Катализаторы

Ускоряют химическую реакцию

Связывающие агенты

Механическое усиление

Огнезащитные добавки

Снижают горючесть

Пластификаторы

Снижают твердость

Наполнители

Улучшают свойства материала и снижают затраты

Пенные агенты поверхностно-активные вещества

Контролируют клеточную структуру пенного полиуретана

Дымоподавители

Снижают уровень дыма при горении

Пигменты

Добавляют цвет для эстетики

Классификация полиуретана

Полиуретан можно классифицировать на две группы по их реакции на тепло:

Термопластичный

Термопластичный полиуретан универсален в том, что его можно перегревать и переформовывать множество раз. При нагревании он становится жидким и может быть формован в желаемую форму без изменений свойств пластика. Термопластичный полиуретан лучше подходит для конечных изделий, требующих термостойкости выше 250°F (121°C).

Термореактивный (Thermoset)

Термореактивный полиуретан нельзя формовать более одного раза. Когда термореактивный полиуретан застывает, он переживает химическую реакцию, делая изменение постоянным. Термореактивный полиуретан — более долговечный вариант для несущих и абразивностойких продуктов.

Типы полиуретана

Полиуретан можно разделить на четыре основных типа: эластомеры, покрытия, гибкие пены и перекрестно-связанные пены. Для каждого типа следует выбирать наиболее подходящий класс полиуретана — либо термопластичный, либо термореактивный. В зависимости от конкретного дизайна и применения, должны учитываться разные требования к теплу, весу и абразии.

Эластомеры

Полиуретановые эластомеры имеют очень высокую эластичность. Устройства дорожной безопасности, такие как гибкие столбы-бордюры, получают выгоду от этих эластичных свойств. Проектированные для изгиба под транспортными средствами, гибкие столбы могут быстро возвращать свою исходную форму после сплющивания.

Покрытия

Полиуретановые покрытия обеспечивают устойчивость к агрессивным растворителям, таким как промышленные чистики. Они также предлагают некоторую защиту от удара. Полиуретановые покрытия идеальны для поверхностей, нуждающихся в абразивной стойкости. Доступны также водорастворимые решения.

Гибкие пены

Гибкие пены имеют высокую ударную прочность и амортизацию. Полужесткие полиуретановые пены также доступны как более твердые альтернативы.

Перекрестно-связанные пены

Перекрестно-связанные пены предлагают более жесткую и толстую структуру по сравнению с гибкими пенами.

Обслуживание полиуретанового пластика

Полиуретан легко ухаживать и малообслуживаем. Он устойчив к растворителям, маслам и коррозии — и высоко долговечен к выветриванию и абразии. Регулярное обслуживание простое как вытирание поверхности влажной тканью. Для случаев с большим повреждением поверхности могут использоваться детергенты и чистящие средства. Однако лучше оставлять агрессивные чистики для редкого использования, так как они могут влиять на глянцевый уровень некоторых полиуретановых отделок.

Переработка полиуретанового пластика

Полиуретан можно перерабатывать двумя способами: механическим или химическим переработкой. Механическая переработка повторно использует материал в его полимерной форме, в то время как химическая переработка возвращает материал к его химическим компонентам.

1) Механическая переработка

Ребонд (Rebond)

Полиуретановые отходы рубят на мелкие куски, опрыскивают предполимером и связывают в желаемую марку пены. Популярный метод для переработанных подложек под ковры.

Регранд (Regrind)

Промышленные обрезки полиуретана измельчают в тонкий порошок. Порошок можно затем комбинировать с девственными материалами для производства новой полиуретановой пены.

Клеевое прессование (Adhesive pressing)

Полиуретановые детали гранулируют и смешивают, затем помещают под тепло и давление для формирования плит или формовочных изделий. Полученные древесно-стружечные плиты можно использовать в звукоизоляционных изделиях и мебельных применениях.

2) Химическая переработка

Гликолиз (Glycolysis)

Промышленные и послепотребительские полиуретаны смешивают с диолами при высокой температуре. Новые полиолы создаются через химическую реакцию, которые затем можно использовать для изготовления переработанного полиуретана.

Гидролиз (Hydrolysis)

Реакция между использованными полиуретанами и водой приводит к полиолам, которые можно использовать как топливо. Промежуточные химикаты могут использоваться как сырье для создания переработанного полиуретана.

Пиролиз (Pyrolysis)

Газ и масло создаются путем разложения полиуретана в безкислородной среде.

Гидрогенизация (Hydrogenation)

Газ и масло создаются из использованных полиуретанов путем приложения тепла, давления и кислорода.

Будущее полиуретана

Полиуретан — впечатляющий ресурс со своим сочетанием рабочих характеристик. Продукты из полиуретана также отличаются разнообразием — от пластиков, пен, покрытий до герметиков — что приносит пользу множеству отраслей.

Продукты из полиуретана имеют циклический жизненный цикл, так как продолжают сохранять ценность даже после окончания жизненного цикла продукта. В 2010 году американский автомобильный производитель Chrysler объявил, что будет использовать 180 000 фунтов переработанных полиуретановых пен для своих сидений и подголовников. По мере того как мир становится зеленым, промышленность полиуретана следует за ней с устойчивыми практиками.