Che cos'è il poliuretano?

Il poliuretano (PU) è una famiglia di materie plastiche (polimeri) che si forma quando due componenti liquidi, un poliolo e un isocianato, reagiscono tra loro. Cambiando il tipo e il rapporto dei componenti, la stessa chimica dà una schiuma morbida per imbottiture, una schiuma rigida isolante, un rivestimento flessibile o un pezzo stampato resistente. Per questo la schiuma di un materasso, un pannello per celle frigorifere e l'isolamento di un frigorifero appartengono alla stessa famiglia di materiali.

1. Come si forma il poliuretano

Il poliuretano si ottiene da due materie prime principali: un poliolo e un isocianato. Il poliolo è una molecola con due o più gruppi ossidrilici (OH). L'isocianato, il più delle volte MDI o TDI, contiene due o più gruppi reattivi NCO. Quando i due vengono miscelati, si avvia una reazione che libera calore e forma legami uretanici, che collegano le molecole tra loro. Il polimero prende il nome da questo legame.

Un sistema bicomponente: componente A e componente B

In ambito industriale il poliuretano viene in genere fornito come sistema bicomponente. In Europa e in Turchia il componente A è di solito il poliolo già formulato con catalizzatori, tensioattivi, agenti espandenti e altri additivi, e il componente B è l'isocianato abbinato a quella formulazione. In Nord America le lettere sono spesso usate al contrario, quindi seguite sempre le indicazioni riportate sulle etichette dei fusti e sulle schede tecniche. Una macchina dosatrice miscela i due componenti nel rapporto stabilito e invia la miscela in uno stampo, su una linea per pannelli o direttamente sulla superficie da isolare.

Come si forma la schiuma

Quando si produce una schiuma avvengono due reazioni contemporaneamente. Nella reazione di gelificazione il poliolo e l'isocianato costruiscono la rete polimerica. Nella reazione di espansione l'isocianato reagisce con l'acqua e libera anidride carbonica. Questo gas, insieme all'eventuale agente espandente fisico presente nel sistema (per esempio pentano o HFO), trasforma la miscela liquida in schiuma. L'equilibrio tra le due reazioni determina la struttura cellulare e la densità della schiuma. L'ammina che si forma nella reazione di espansione reagisce con altro isocianato e forma legami ureici, quindi la maggior parte delle schiume contiene alcuni gruppi ureici accanto a quelli uretanici.

Perché una sola chimica dà tanti prodotti

Catene polioliche lunghe e flessibili danno prodotti morbidi che tornano nella forma originale. Polioli corti e molto ramificati formano una struttura rigida e fortemente reticolata. Piccole modifiche della formulazione cambiano direttamente densità, durezza, valore isolante e tempo di indurimento. Per questo il poliuretano viene considerato un sistema adattato a ogni applicazione e non un prodotto unico. La nostra guida Poliolo e isocianato spiega più in dettaglio le due materie prime.

Una breve storia

Il poliuretano fu ottenuto per la prima volta nel 1937 da Otto Bayer e dai suoi collaboratori presso IG Farben a Leverkusen, in Germania. Durante la seconda guerra mondiale fu usato su piccola scala, per esempio come rivestimento per aerei, e negli anni Cinquanta schiume rigide, elastomeri, adesivi e schiume flessibili trovarono un impiego più ampio. Oggi è una delle principali materie plastiche: la produzione mondiale era di circa 25 milioni di tonnellate nel 2019, pari al 6% circa di tutti i polimeri.

2. Tipi di poliuretano

Nel linguaggio comune «poliuretano» indica di solito una schiuma per imbottiture oppure una schiuma isolante. La stessa chimica, però, comprende gruppi di prodotti molto diversi:

Schiuma poliuretanica flessibile (schiuma per imbottiture)

Una schiuma morbida a celle aperte che torna alla forma originale dopo la compressione, usata in mobili, materassi e sedili auto. Viene colata in grandi blocchi (slabstock) e poi tagliata, oppure formata in stampo. A seconda dell'applicazione, la densità va da circa 10 a 300 kg/m³.

La schiuma flessibile si ottiene con polioli polieteri o poliesteri. In generale i tipi polieteri resistono meglio all'acqua, mentre i tipi poliesteri resistono meglio ai solventi e all'abrasione. La densità è la massa di schiuma per metro cubo (kg/m³). Da sola non indica quanto una schiuma sia morbida o rigida, perché la durezza si misura a parte (per esempio per indentazione, ISO 2439), quindi due schiume con la stessa densità possono risultare diverse al tatto.

Schiuma viscoelastica (memory foam)

Una schiuma flessibile che recupera lentamente la forma dopo essere stata compressa. Poiché segue la forma del corpo, viene usata in materassi, guanciali e cuscini medicali.

Schiuma poliuretanica rigida: PUR e PIR

Una schiuma leggera, in prevalenza a celle chiuse, con un alto valore isolante. Si usa in pannelli sandwich, pannelli per celle frigorifere, frigoriferi, furgonature isotermiche e bollitori. Il PIR (poliisocianurato) è una schiuma rigida ottenuta con isocianato in eccesso, che forma strutture ad anello ed è più stabile al calore. I due si distinguono per il rapporto tra isocianato e poliolo (l'indice): il PUR si ottiene con un indice vicino a 100, il PIR con un indice molto più alto, in genere superiore a 180. Il nome da solo non indica una classe di reazione al fuoco, che deriva invece dal rapporto di classificazione del prodotto. La nostra guida Pannelli isolanti PIR o PUR mette a confronto i due materiali.

Schiuma poliuretanica a spruzzo

I due componenti vengono spruzzati in opera con un'apposita macchina e la schiuma si espande nel giro di pochi secondi. Su coperture, facciate e magazzini forma uno strato isolante continuo, con pochi giunti o senza giunti.

Schiuma integrale autopellante

Un sistema che in un'unica colata dentro lo stampo forma una pelle esterna compatta e un'anima di schiuma più leggera. Si usa per volanti, braccioli, parti di mobili e prodotti decorativi.

Elastomeri, rivestimenti e adesivi

Il poliuretano si usa anche in forme che non sono schiume: parti in elastomero resistenti all'usura, come ruote e rulli, rivestimenti per pavimenti e superfici, adesivi e sigillanti. Il poliuretano termoplastico (TPU), che si può rimodellare con il calore, appartiene alla stessa famiglia.

Poliuretano e poliurea: la differenza

Il poliuretano si forma quando un isocianato reagisce con un poliolo; la poliurea si forma quando un isocianato reagisce con un'ammina. La poliurea indurisce molto rapidamente e di solito si applica con macchine a spruzzo a caldo e ad alta pressione, per impermeabilizzazioni e rivestimenti protettivi. Esistono anche sistemi ibridi che combinano i due materiali. Per sapere come scelgono gli applicatori, si veda Poliuretano a spruzzo o poliurea.

Anche la schiuma in bomboletta è poliuretano?

Sì. La maggior parte delle bombolette di schiuma vendute nei negozi di ferramenta contiene schiuma poliuretanica monocomponente, che indurisce con l'umidità dell'aria. È diversa dai sistemi bicomponenti con cui l'industria produce pannelli, schiume per imbottiture e pezzi stampati. La schiuma in bomboletta non ancora indurita contiene isocianato reattivo, quindi indossate guanti e protezione per gli occhi, ventilate il locale e seguite le avvertenze riportate sulla bomboletta.

3. Proprietà principali

Le proprietà del poliuretano dipendono dal tipo, dalla densità e dalla formulazione, quindi ogni punto seguente riguarda il gruppo di prodotti a cui fa riferimento:

• Isolamento termico: il poliuretano rigido a celle chiuse è tra i materiali isolanti di uso comune con la conduttività termica più bassa. PU Europe, l'associazione dell'industria europea dell'isolamento in poliuretano (PUR/PIR), indica che l'isolamento in poliuretano rigido rivestito può raggiungere una conduttività termica (λ) molto bassa, da 0,022 a 0,028 W/mK, a seconda dei rivestimenti e dello spessore. Più basso è il valore di λ, meno calore passa, quindi per ottenere lo stesso isolamento basta uno strato più sottile. Si tratta di un intervallo di settore, non del valore dichiarato di un singolo prodotto.
• Leggerezza e resistenza: secondo PU Europe, circa il 97% del volume della schiuma di poliuretano rigido è gas intrappolato, ed è per questo che è così leggera. La resistenza meccanica cresce con la densità. In un pannello sandwich la schiuma aderisce saldamente ai rivestimenti metallici e forma l'anima che tiene insieme il pannello.
• Acqua e umidità: la schiuma rigida a celle chiuse assorbe pochissima acqua, mentre la schiuma flessibile a celle aperte la assorbe facilmente. La permeabilità al vapore acqueo varia da prodotto a prodotto, quindi controllate il valore riportato nella scheda tecnica.
• Calore e luce solare: la resistenza al calore dipende dal prodotto, quindi non esiste un valore unico valido per tutti i poliuretani. I poliuretani ottenuti con isocianati aromatici ingialliscono alla luce del sole e non vanno lasciati esposti senza protezione; i rivestimenti che devono mantenere il colore usano sistemi alifatici.
• Vita utile: PU Europe indica che la schiuma di poliuretano rigido ha una vita utile di 50 anni e oltre, e ISOPA indica più di 50 anni per l'isolamento degli edifici. Si tratta di affermazioni di settore, non di una garanzia per un singolo prodotto.

4. A cosa serve il poliuretano?

In breve, il poliuretano isola edifici, celle frigorifere e frigoriferi, imbottisce mobili, materassi e sedili auto, e si usa in rivestimenti, adesivi e molti pezzi stampati.

Per i pezzi stampati, un distaccante per stampi aiuta a sformare il pezzo in modo pulito. JiTPOL fornisce sistemi per isolamento, schiume per imbottiture, schiume integrali autopellanti e applicazioni a spruzzo: si vedano i nostri sistemi rigidi, flessibili, viscoelastici, integrali autopellanti e a spruzzo.

5. Il poliuretano è tossico o nocivo?

La risposta dipende dal fatto che ci si riferisca al prodotto finito o alle materie prime.

Il prodotto finito e polimerizzato

Secondo la scheda informativa sul materiale (material information sheet) di EUROPUR, l'associazione europea dei produttori di blocchi di schiuma poliuretanica flessibile, la schiuma poliuretanica flessibile polimerizzata è classificata come articolo e non come sostanza pericolosa, e in condizioni d'uso normali non sono noti effetti sulla pelle o sulle vie respiratorie. È comunque opportuno usare protezioni adeguate contro la polvere che si genera quando la schiuma viene tagliata o levigata, e guanti quando si lavora con schiuma appena prodotta. Questa affermazione riguarda la schiuma flessibile; per la schiuma rigida, la schiuma a spruzzo e gli altri prodotti poliuretanici, consultate le schede dei singoli prodotti.

Le materie prime e chi le lavora

Gli isocianati, la materia prima, possono causare sensibilizzazione allergica della pelle e delle vie respiratorie. Vanno maneggiati da personale formato, in ambienti ben ventilati e con adeguati dispositivi di protezione individuale. Nell'Unione europea il regolamento (UE) 2020/1149 impone agli utilizzatori industriali e professionali di prodotti contenenti diisocianati in misura pari o superiore allo 0,1% in peso di completare una formazione prima dell'uso; l'obbligo si applica dal 24 agosto 2023 e la formazione deve essere rinnovata almeno ogni cinque anni. Leggete sempre la scheda di sicurezza (SDS) di ciascun prodotto.

La combustione

Quando brucia, il poliuretano libera fumo denso e gas tossici, quindi i rifiuti di poliuretano non vanno mai bruciati all'aperto.

6. Il poliuretano brucia?

Sì, il poliuretano è un materiale combustibile. Il suo comportamento in caso di incendio dipende dal tipo di prodotto, dalla densità, dalla presenza di ritardanti di fiamma e da come è inserito nel pannello o nella parete. In Europa la classe di reazione al fuoco di un prodotto da costruzione si determina con prove e si classifica secondo la norma EN 13501-1; è riportata nel rapporto di classificazione e nella dichiarazione di prestazione del prodotto. Fate riferimento a questi documenti e non a espressioni generiche come «poliuretano ignifugo». Diciture come «ritardante di fiamma» si riferiscono spesso soltanto a prove di accensione su piccola scala e non descrivono il pericolo in un grande incendio.

7. Poliuretano e altri materiali isolanti

Rispetto al polistirene espanso (EPS), all'XPS e alla lana di roccia, la differenza più evidente del poliuretano rigido è che la sua bassa conduttività termica permette di ottenere lo stesso isolamento con uno strato più sottile. Dove contano spessore e peso, come nei pannelli e nelle celle frigorifere, questa differenza decide la scelta. La lana di roccia, d'altra parte, è in genere classificata come non combustibile (Euroclasse A1 o A2; controllate la dichiarazione di prestazione del prodotto) e può essere preferita dove prevale la classe di reazione al fuoco. La scelta giusta dipende dal valore isolante richiesto, dallo spessore, dalle condizioni di umidità, dai requisiti antincendio e dal budget; ogni materiale va confrontato in base al proprio valore λ dichiarato.

8. Ambiente e riciclo

La maggior parte del poliuretano è un materiale termoindurente: la sua struttura reticolata fa sì che non possa essere fuso e rimodellato (il poliuretano termoplastico, TPU, è l'eccezione), quindi è più difficile da riciclare rispetto ai materiali termoplastici, ma può essere riciclato. Gli sfridi di schiuma flessibile vengono triturati e riagglomerati (rebonded) in prodotti come i sottotappeti. Metodi chimici come la glicolisi scompongono la schiuma in un prodotto ricco di polioli, che può sostituire in parte il poliolo vergine. I rifiuti non riciclabili possono essere avviati al recupero energetico tramite incenerimento controllato con emissioni filtrate; bruciarli all'aperto non è mai accettabile. Secondo ISOPA, i tassi di riciclo restano bassi a causa del numero limitato di impianti e degli alti costi. Nelle schiume isolanti gli agenti espandenti che danneggiavano lo strato di ozono (prima i CFC, poi gli HCFC) sono stati gradualmente eliminati; in Europa sono stati sostituiti soprattutto dal pentano, e alcuni sistemi usano agenti di tipo HFO. Per i dettagli, si veda la nostra guida Riciclo del poliuretano.

9. Come scegliere il sistema giusto

Quale poliuretano usare dipende dal prodotto da realizzare e dal modo in cui lo si realizza. Queste domande portano al sistema giusto:

• Qual è il prodotto e che cosa deve garantire: isolamento, durezza, comfort o resistenza?
• Qual è il metodo di produzione: linea in continuo per pannelli, colata in stampo, slabstock, iniezione o spruzzo?
• Quali sono la densità e il tempo di indurimento necessari?
• A quali superfici deve aderire la schiuma e in quali condizioni verrà prodotta?
• Quale classe di reazione al fuoco, quale prova o certificato è richiesto?

Le aziende che sviluppano miscele bicomponenti già pronte per rispondere a queste domande si chiamano system house. JiTPOL è una system house del poliuretano con sede a Bursa che sviluppa e fornisce tali sistemi. Possiamo aiutarvi nella scelta del sistema e inviarvi la scheda tecnica (TDS) e la scheda di sicurezza (SDS) di cui avete bisogno.

Domande frequenti

Fonti

1. ISOPA: che cos'è il poliuretano? (in inglese)
2. ISOPA: domande frequenti sul poliuretano (in inglese)
3. PU Europe: isolamento in poliuretano (in inglese)
4. EUROPUR: scheda informativa sul materiale, schiuma poliuretanica flessibile
5. Scheda informativa ISOPA: schiuma flessibile rebonded (in inglese)
6. Wikipedia: Poliuretano
7. OSHA: pericoli degli isocianati (in inglese)
8. Regolamento (UE) 2020/1149 della Commissione (diisocianati, allegato XVII del REACH)