Czym jest poliuretan?

Poliuretan (PU) to rodzina tworzyw sztucznych (polimerów), które powstają w reakcji dwóch ciekłych składników: poliolu i izocyjanianu. Zmieniając rodzaj i proporcje składników, z tej samej chemii można otrzymać miękką piankę tapicerską, sztywną piankę izolacyjną, elastyczną powłokę albo wytrzymały element formowany. Dlatego pianka materacowa, płyta do komór chłodniczych i izolacja lodówki pochodzą z tej samej rodziny materiałów.

1. Jak powstaje poliuretan

Poliuretan powstaje z dwóch głównych surowców: poliolu i izocyjanianu. Poliol to cząsteczka z dwiema lub większą liczbą grup hydroksylowych (OH). Izocyjanian, najczęściej MDI lub TDI, ma dwie lub więcej reaktywnych grup NCO. Po zmieszaniu obu składników rozpoczyna się reakcja z wydzielaniem ciepła, w której powstają wiązania uretanowe łączące cząsteczki ze sobą. Od tego wiązania polimer wziął swoją nazwę.

System dwuskładnikowy: składnik A i składnik B

W przemyśle poliuretan jest zwykle dostarczany jako system dwuskładnikowy. W Europie i w Turcji składnikiem A jest zazwyczaj gotowa mieszanka poliolu z katalizatorami, surfaktantami, środkami spieniającymi i innymi dodatkami, a składnikiem B izocyjanian dobrany do tej mieszanki. W Ameryce Północnej oznaczenia literowe są często stosowane odwrotnie, dlatego zawsze należy kierować się etykietami na beczkach i kartami technicznymi. Maszyna dozująca miesza oba składniki w ustalonej proporcji i podaje mieszankę do formy, na linię do produkcji płyt albo bezpośrednio na izolowaną powierzchnię.

Jak powstaje pianka

Podczas wytwarzania pianki równocześnie zachodzą dwie reakcje. W reakcji żelowania poliol i izocyjanian budują sieć polimerową. W reakcji spieniania izocyjanian reaguje z wodą i uwalnia dwutlenek węgla. Ten gaz, wraz z ewentualnym fizycznym środkiem spieniającym w systemie (na przykład pentanem lub HFO), zamienia ciekłą mieszankę w piankę. Równowaga między obiema reakcjami decyduje o strukturze komórek i gęstości pianki. Amina powstająca w reakcji spieniania reaguje z kolejnymi porcjami izocyjanianu i tworzy wiązania mocznikowe, dlatego większość pianek zawiera obok grup uretanowych także pewną liczbę grup mocznikowych.

Dlaczego z tej samej chemii powstaje tak wiele wyrobów

Długie, elastyczne łańcuchy poliolu dają miękkie wyroby, które wracają do pierwotnego kształtu. Krótkie, silnie rozgałęzione poliole budują ciasno usieciowaną, sztywną strukturę. Niewielkie zmiany receptury bezpośrednio zmieniają gęstość, twardość, wartość izolacyjną i czas utwardzania. Dlatego o poliuretanie mówi się jako o systemie dopasowywanym do każdego zastosowania, a nie jako o pojedynczym produkcie. Nasz artykuł Poliol i izocyjanian opisuje oba surowce dokładniej.

Krótka historia

Po raz pierwszy poliuretan wytworzył w 1937 roku Otto Bayer wraz ze współpracownikami w firmie IG Farben w Leverkusen w Niemczech. W niewielkiej skali stosowano go podczas II wojny światowej, na przykład jako powłokę samolotów, a w latach pięćdziesiątych XX wieku szersze zastosowanie zyskały pianki sztywne, elastomery, kleje i pianki elastyczne. Dziś jest jednym z głównych tworzyw sztucznych: światowa produkcja wyniosła w 2019 roku około 25 milionów ton, czyli około 6% wszystkich polimerów.

2. Rodzaje poliuretanu

W mowie potocznej „poliuretan” oznacza zwykle albo piankę tapicerską, albo piankę izolacyjną. Ta sama chemia obejmuje jednak bardzo różne grupy wyrobów:

Elastyczna pianka poliuretanowa (pianka tapicerska)

Otwartokomórkowa, miękka pianka, która po ściśnięciu wraca do pierwotnego kształtu, stosowana w meblach, materacach i siedzeniach samochodowych. Wytwarza się ją albo w dużych blokach (pianka blokowa), które następnie się tnie, albo w formach. W zależności od zastosowania jej gęstość wynosi od około 10 do 300 kg/m³.

Pianki elastyczne wytwarza się z poliolów polieterowych lub poliestrowych. Ogólnie rzecz biorąc, pianki polieterowe lepiej znoszą wodę, a poliestrowe są bardziej odporne na rozpuszczalniki i ścieranie. Gęstość to masa pianki przypadająca na metr sześcienny (kg/m³). Sama w sobie nie opisuje twardości, ponieważ twardość mierzy się osobno (na przykład metodą wgłębiania, ISO 2439), dlatego dwie pianki o tej samej gęstości mogą mieć różną twardość.

Pianka wiskoelastyczna (z pamięcią kształtu)

Elastyczna pianka, która po ucisku wraca do kształtu powoli. Ponieważ dopasowuje się do kształtu ciała, stosuje się ją w materacach, poduszkach do spania i poduszkach medycznych.

Sztywna pianka poliuretanowa: PUR i PIR

Lekka pianka o przeważnie zamkniętych komórkach i wysokiej wartości izolacyjnej. Stosuje się ją w płytach warstwowych, płytach do komór chłodniczych, lodówkach, zabudowach chłodniczych samochodów ciężarowych i zbiornikach ciepłej wody. PIR (poliizocyjanurat) to sztywna pianka wytwarzana z dodatkową ilością izocyjanianu, który tworzy struktury pierścieniowe; jest ona stabilniejsza pod wpływem ciepła. Oba rodzaje różnią się stosunkiem izocyjanianu do poliolu (indeksem): PUR wytwarza się przy indeksie bliskim 100, a PIR przy znacznie wyższym, zazwyczaj powyżej 180. Sama nazwa nie określa klasy reakcji na ogień; wynika ona ze sprawozdania z klasyfikacji wyrobu. Nasz artykuł Płyty izolacyjne PIR a PUR porównuje oba rodzaje.

Natryskowa pianka poliuretanowa

Oba składniki są natryskiwane na miejscu specjalną maszyną, a pianka rośnie w ciągu kilku sekund. Na dachach, elewacjach i w budynkach magazynowych tworzy ciągłą warstwę izolacji z niewielką liczbą spoin lub bez spoin.

Pianka integralna

System, w którym podczas jednego wylewu do formy powstaje zwarta zewnętrzna skórka i lżejszy piankowy rdzeń. Stosuje się go do kierownic, podłokietników, elementów mebli i wyrobów dekoracyjnych.

Elastomery, powłoki i kleje

Poliuretan stosuje się także w postaciach innych niż pianka: odpornych na ścieranie elementach elastomerowych, takich jak koła i rolki, powłokach podłóg i powierzchni, klejach i uszczelniaczach. Do tej samej rodziny należy termoplastyczny poliuretan (TPU), który można ponownie kształtować pod wpływem ciepła.

Poliuretan i polimocznik: na czym polega różnica

Poliuretan powstaje w reakcji izocyjanianu z poliolem, a polimocznik w reakcji izocyjanianu z aminą. Polimocznik utwardza się bardzo szybko i zwykle nanosi się go na gorąco, wysokociśnieniowymi maszynami natryskowymi, do hydroizolacji i powłok ochronnych. Istnieją też systemy hybrydowe łączące oba materiały. Jak wybierają wykonawcy, wyjaśnia artykuł Pianka natryskowa czy polimocznik.

Czy pianka montażowa z puszki to też poliuretan?

Tak. Większość pianek montażowych w puszkach sprzedawanych w sklepach budowlanych to jednoskładnikowe pianki poliuretanowe, które utwardzają się pod wpływem wilgoci z powietrza. Różnią się od systemów dwuskładnikowych, z których przemysł wytwarza płyty, pianki tapicerskie i elementy formowane. Nieutwardzona pianka z puszki zawiera reaktywny izocyjanian, dlatego należy używać rękawic i ochrony oczu, wietrzyć pomieszczenie i stosować się do ostrzeżeń na puszce.

3. Najważniejsze właściwości

Właściwości poliuretanu zależą od jego rodzaju, gęstości i receptury, dlatego każdy z poniższych punktów dotyczy grupy wyrobów, którą w nim wskazano:

• Izolacja cieplna: sztywny poliuretan zamkniętokomórkowy należy do powszechnie stosowanych materiałów izolacyjnych o najniższej przewodności cieplnej. PU Europe, stowarzyszenie europejskiego przemysłu izolacji poliuretanowych (PUR/PIR), podaje, że sztywna izolacja poliuretanowa z okładzinami może osiągać współczynnik przewodzenia ciepła (λ) już na poziomie od 0,022 do 0,028 W/mK, w zależności od okładzin i grubości. Im niższe λ, tym mniej ciepła przenika, więc tę samą izolacyjność można uzyskać przy cieńszej warstwie. Jest to zakres branżowy, a nie deklarowana wartość żadnego pojedynczego wyrobu.
• Lekkość i wytrzymałość: według PU Europe około 97% objętości sztywnej pianki poliuretanowej stanowi uwięziony gaz, dlatego jest ona tak lekka. Jej wytrzymałość mechaniczna rośnie wraz z gęstością. W płycie warstwowej mocno przylega do metalowych okładzin i tworzy rdzeń, który spaja płytę.
• Woda i wilgoć: sztywna pianka zamkniętokomórkowa praktycznie nie chłonie wody, natomiast elastyczna pianka otwartokomórkowa nasiąka nią. Paroprzepuszczalność różni się w zależności od wyrobu, dlatego wartość należy sprawdzić w karcie technicznej.
• Ciepło i światło słoneczne: odporność na wysoką temperaturę zależy od wyrobu, dlatego nie istnieje jedna wartość odnosząca się do całego poliuretanu. Poliuretany wytwarzane z aromatycznych izocyjanianów żółkną pod wpływem słońca i nie należy zostawiać ich bez ochrony; powłoki, które mają zachować kolor, opierają się na systemach alifatycznych.
• Okres użytkowania: PU Europe podaje, że sztywna pianka poliuretanowa ma żywotność użytkową wynoszącą 50 lat i więcej, a ISOPA wskazuje ponad 50 lat dla izolacji budynków. Są to stwierdzenia branżowe, a nie gwarancja dla żadnego pojedynczego wyrobu.

4. Do czego służy poliuretan?

Krótko mówiąc, poliuretan izoluje budynki, komory chłodnicze i lodówki, stanowi wypełnienie mebli, materacy i siedzeń samochodowych oraz jest stosowany w powłokach, klejach i wielu elementach formowanych.

W przypadku elementów formowanych środek antyadhezyjny pomaga czysto wyjąć wyrób z formy. JiTPOL dostarcza systemy do izolacji, pianek tapicerskich, pianek integralnych i zastosowań natryskowych: zob. nasze systemy sztywne, elastyczne, wiskoelastyczne, pianek integralnych i natryskowe.

5. Czy poliuretan jest szkodliwy?

Odpowiedź zależy od tego, czy mowa o gotowym wyrobie, czy o surowcach.

Utwardzony, gotowy wyrób

Według karty informacji o materiale EUROPUR, europejskiego stowarzyszenia producentów bloków elastycznej pianki poliuretanowej, utwardzona elastyczna pianka poliuretanowa jest klasyfikowana jako wyrób, a nie substancja niebezpieczna, i przy normalnym użytkowaniu nie są znane żadne jej skutki dla skóry ani dróg oddechowych. Mimo to należy stosować odpowiednią ochronę przed pyłem powstającym podczas cięcia lub szlifowania pianki oraz rękawice podczas pracy ze świeżo wytworzoną pianką. Stwierdzenie to dotyczy pianki elastycznej; w przypadku pianki sztywnej, pianki natryskowej i innych wyrobów poliuretanowych należy sprawdzić karty techniczne i karty charakterystyki danego wyrobu.

Surowce i osoby, które je przetwarzają

Izocyjaniany stosowane jako surowiec mogą powodować uczulenie skóry i dróg oddechowych. Pracować z nimi powinny przeszkolone osoby, w dobrze wentylowanych pomieszczeniach i w odpowiednich środkach ochrony indywidualnej. W Unii Europejskiej rozporządzenie (UE) 2020/1149 wymaga, aby użytkownicy przemysłowi i zawodowi produktów zawierających diizocyjaniany w stężeniu 0,1% wagowo lub większym ukończyli przed użyciem szkolenie; wymóg ten obowiązuje od 24 sierpnia 2023 roku, a szkolenie należy odnawiać co najmniej co pięć lat. Zawsze należy zapoznać się z kartą charakterystyki (SDS) każdego produktu.

Spalanie

Spalanie poliuretanu uwalnia gęsty dym i toksyczne gazy, dlatego odpadów poliuretanowych nigdy nie wolno spalać na wolnym powietrzu.

6. Czy poliuretan się pali?

Tak, poliuretan jest materiałem palnym. Zachowanie w pożarze zależy od rodzaju wyrobu, jego gęstości, tego, czy zawiera antypireny, oraz od sposobu zabudowy w płycie lub ścianie. W Europie klasę reakcji na ogień wyrobu budowlanego określa się na podstawie badań i klasyfikuje według EN 13501-1; podaje się ją w sprawozdaniu z klasyfikacji i w deklaracji właściwości użytkowych wyrobu. Należy opierać się na tych dokumentach, a nie na ogólnych hasłach, takich jak „ognioodporny poliuretan”. Określenia typu „uniepalniony” często odnoszą się wyłącznie do badań zapłonu w małej skali i nie opisują zagrożenia w dużym pożarze.

7. Poliuretan a inne materiały izolacyjne

W porównaniu ze styropianem (EPS), XPS i wełną skalną najwyraźniejszą różnicą sztywnego poliuretanu jest to, że jego niska przewodność cieplna pozwala uzyskać tę samą izolacyjność przy cieńszej warstwie. Tam, gdzie liczą się grubość i masa, jak w płytach warstwowych i komorach chłodniczych, ta różnica rozstrzyga o wyborze. Wełna skalna jest natomiast zazwyczaj klasyfikowana jako niepalna (Euroklasa A1 lub A2; należy sprawdzić deklarację właściwości użytkowych wyrobu) i może być preferowana tam, gdzie na pierwszym miejscu stoi klasa reakcji na ogień. Właściwy wybór zależy od wymaganej wartości izolacyjnej, grubości, warunków wilgotnościowych, wymagań pożarowych i budżetu; każdy materiał należy porównywać według jego własnej deklarowanej wartości λ.

8. Środowisko i recykling

Większość poliuretanów to tworzywa termoutwardzalne: ich usieciowana struktura sprawia, że nie można ich stopić i ponownie ukształtować (wyjątkiem jest termoplastyczny poliuretan, TPU), dlatego recykling jest trudniejszy niż w przypadku tworzyw termoplastycznych, ale możliwy. Ścinki elastycznej pianki są rozdrabniane i ponownie sklejane (rebonding) w wyroby takie jak podkłady pod wykładziny dywanowe. Metody chemiczne, takie jak glikoliza, rozkładają piankę na produkt bogaty w poliol, który może częściowo zastąpić nowy poliol. Odpady, których nie można poddać recyklingowi, mogą trafić do odzysku energii w kontrolowanym spalaniu z filtracją emisji; spalanie na wolnym powietrzu nigdy nie jest dopuszczalne. Według ISOPA wskaźniki recyklingu pozostają niskie z powodu ograniczonej liczby instalacji i wysokich kosztów. W piankach izolacyjnych wycofano środki spieniające, które szkodziły warstwie ozonowej (najpierw CFC, potem HCFC); w Europie zastąpiono je głównie pentanem, a niektóre systemy stosują środki typu HFO. Szczegóły zawiera nasz artykuł Recykling poliuretanów.

9. Jak dobrać odpowiedni system

To, jakiego poliuretanu użyć, zależy od wyrobu, który się wytwarza, i od sposobu jego wytwarzania. Do właściwego systemu prowadzą następujące pytania:

• Jaki to wyrób i czego wymaga: izolacji, twardości, komfortu czy wytrzymałości?
• Jaka jest metoda produkcji: ciągła linia do płyt, wylewanie do formy, pianka blokowa, wtrysk czy natrysk?
• Jaka gęstość i jaki czas utwardzania są potrzebne?
• Do jakich powierzchni pianka ma przylegać i w jakich warunkach będzie wytwarzana?
• Jaka klasa reakcji na ogień oraz jakie badania lub certyfikaty są wymagane?

Firmy, które opracowują gotowe dwuskładnikowe mieszanki odpowiadające na te pytania, nazywa się w branży firmami typu system house. JiTPOL z Bursy jest firmą tego typu: opracowuje i dostarcza takie systemy. Możemy pomóc w doborze systemu i przesłać potrzebną kartę techniczną (TDS) oraz kartę charakterystyki (SDS).

Najczęściej zadawane pytania

Źródła

1. ISOPA: Czym jest poliuretan? (po angielsku)
2. ISOPA: Najczęściej zadawane pytania o poliuretany (po angielsku)
3. PU Europe: izolacje poliuretanowe (po angielsku)
4. EUROPUR: karta informacji o materiale, elastyczna pianka poliuretanowa
5. Karta informacyjna ISOPA: ponownie sklejana pianka elastyczna (po angielsku)
6. Wikipedia: Poliuretany
7. OSHA: zagrożenia związane z izocyjanianami (po angielsku)
8. Rozporządzenie Komisji (UE) 2020/1149 (diizocyjaniany, załącznik XVII do REACH)