Что такое полиуретан?

Полиуретан (ПУ) представляет собой семейство пластмасс (полимеров), которые образуются при реакции двух жидких компонентов: полиола и изоцианата. Меняя тип и соотношение компонентов, на одной и той же химической основе получают мягкий поролон, жёсткую теплоизоляционную пену, эластичное покрытие или прочную формованную деталь. Поэтому поролон матраса, панель холодильной камеры и теплоизоляция холодильника относятся к одному семейству материалов.

1. Как образуется полиуретан

Полиуретан получают из двух основных видов сырья: полиола и изоцианата. Полиол представляет собой молекулу с двумя или более гидроксильными группами (OH). Изоцианат чаще всего представлен MDI или TDI; его молекулы содержат две или более реакционноспособные группы NCO. При смешении компонентов начинается реакция с выделением тепла, в ходе которой образуются уретановые связи, соединяющие молекулы друг с другом. Своё название полимер получил от этой связи.

Двухкомпонентная система: компонент А и компонент Б

В промышленности полиуретан обычно поставляется в виде двухкомпонентной системы. В Европе и Турции компонент А, как правило, представляет собой готовую смесь полиола с катализаторами, ПАВ, вспенивающими агентами и другими добавками, а компонентом Б служит изоцианат, подобранный к этой смеси. В Северной Америке эти обозначения нередко используют наоборот, поэтому всегда ориентируйтесь на этикетки на бочках и данные в технических описаниях. Дозирующая машина смешивает компоненты в заданном соотношении и подаёт смесь в форму, на линию производства панелей или прямо на утепляемую поверхность.

Как образуется пена

При получении пены одновременно протекают две реакции. В реакции гелеобразования полиол и изоцианат формируют полимерную сетку. В реакции вспенивания изоцианат взаимодействует с водой с выделением углекислого газа. Этот газ, а также физические вспенивающие агенты, если они входят в состав системы (например, пентан или HFO), превращают жидкую смесь в пену. Баланс между двумя реакциями определяет структуру ячеек и плотность пены. Амин, образующийся в реакции вспенивания, реагирует с новой порцией изоцианата и образует мочевинные связи, поэтому в большинстве пен рядом с уретановыми группами присутствуют и мочевинные группы.

Почему из одной химической основы получают так много продуктов

Длинные гибкие цепи полиола дают мягкие изделия, которые восстанавливают форму. Короткие сильно разветвлённые полиолы формируют плотно сшитую жёсткую структуру. Небольшие изменения рецептуры напрямую влияют на плотность, твёрдость, теплоизоляционные свойства и время отверждения. Поэтому полиуретан принято рассматривать как систему, подбираемую под каждое применение, а не как единый продукт. Подробнее о двух видах сырья рассказано в нашей статье Полиол и изоцианат: основы для производителей ППУ.

Краткая история

Впервые полиуретан был получен в 1937 году Отто Байером (Otto Bayer) и его коллегами в компании IG Farben в Леверкузене (Leverkusen), Германия. В небольших объёмах его применяли во время Второй мировой войны, например как покрытие для самолётов, а жёсткие пены, эластомеры, клеи и эластичные пены получили более широкое распространение в 1950-х годах. Сегодня это один из основных видов пластмасс: мировое производство в 2019 году составило около 25 млн тонн, примерно 6% всех полимеров.

2. Виды полиуретана

В повседневной речи под «полиуретаном» обычно подразумевают либо поролон, либо теплоизоляционную пену. Однако одна и та же химия охватывает очень разные группы продуктов:

Эластичный пенополиуретан (поролон)

Открытоячеистая мягкая пена, которая восстанавливает форму после сжатия. Применяется в мебели, матрасах и автомобильных сиденьях. Её либо заливают крупными блоками (блочный поролон) и разрезают, либо формуют в пресс-формах. В зависимости от применения плотность лежит примерно в пределах от 10 до 300 кг/м³.

Эластичную пену получают на основе простых или сложных полиэфирполиолов. Как правило, пены на простых полиэфирах более стойки к воде, а на сложных полиэфирах более стойки к растворителям и истиранию. Плотность показывает массу пены в одном кубическом метре (кг/м³). Одна лишь плотность не говорит о жёсткости пены на ощупь, поскольку твёрдость измеряют отдельно (например, методом вдавливания, ISO 2439), поэтому две пены одинаковой плотности могут ощущаться по-разному.

Вязкоэластичный пенополиуретан (с эффектом памяти)

Эластичная пена, которая медленно восстанавливает форму после нажатия. Поскольку она повторяет контуры тела, её применяют в матрасах и подушках, а также в подушках медицинского назначения.

Жёсткий пенополиуретан: PUR и PIR

В основном закрытоячеистая лёгкая пена с высокими теплоизоляционными свойствами. Применяется в сэндвич-панелях, панелях для холодильных камер, холодильниках, изотермических кузовах рефрижераторов и водонагревателях (бойлерах). PIR (полиизоцианурат) представляет собой жёсткую пену, при получении которой используется дополнительное количество изоцианата, образующего кольцевые структуры; такая пена более устойчива к нагреву. Различие между ними состоит в соотношении изоцианата и полиола (индексе): PUR получают при индексе около 100, PIR при значительно более высоком, как правило, выше 180. Само по себе название не определяет класс реакции на огонь: он указывается в отчёте о классификации продукта. Эти два типа сравниваются в нашей статье Теплоизоляционные панели PIR и PUR: в чём разница?

Напыляемый пенополиуретан

Два компонента напыляют на объекте специальной установкой, и пена поднимается за считаные секунды. На кровлях, фасадах и складских зданиях она образует сплошной теплоизоляционный слой с минимумом швов или вовсе без них.

Интегральный пенополиуретан

Система, которая за одну заливку в форму образует плотную поверхностную корку и более лёгкую вспененную сердцевину. Применяется для рулей, подлокотников, деталей мебели и декоративных изделий.

Эластомеры, покрытия и клеи

Полиуретан применяют и в невспененном виде: износостойкие эластомерные детали, такие как колёса и ролики, покрытия для полов и поверхностей, клеи и герметики. К этому же семейству относится термопластичный полиуретан (TPU), который можно повторно формовать при нагреве.

Полиуретан и полимочевина: в чём разница

Полиуретан образуется при реакции изоцианата с полиолом, а полимочевина образуется при реакции изоцианата с амином. Полимочевина отверждается очень быстро и обычно наносится методом горячего напыления на установках высокого давления для гидроизоляции и защитных покрытий. Существуют и гибридные системы, сочетающие оба материала. О том, как специалисты по напылению делают выбор, читайте в статье Напыление ППУ или полимочевины: что выбрать.

Является ли полиуретаном монтажная пена из баллона?

Да. Монтажная пена в баллонах, которую продают в строительных магазинах, в большинстве случаев представляет собой однокомпонентную полиуретановую пену, отверждающуюся под действием влаги воздуха. Она отличается от двухкомпонентных систем, из которых в промышленности делают панели, мягкий поролон и формованные детали. Неотверждённая пена из баллона содержит реакционноспособный изоцианат, поэтому работайте в перчатках и защитных очках, проветривайте помещение и соблюдайте предупреждения на баллоне.

3. Основные свойства

Свойства полиуретана зависят от его вида, плотности и рецептуры, поэтому каждый из приведённых ниже пунктов относится к той группе продуктов, которая в нём названа:

• Теплоизоляция: закрытоячеистый жёсткий полиуретан относится к распространённым теплоизоляционным материалам с наименьшей теплопроводностью. По данным PU Europe, отраслевой ассоциации европейских производителей полиуретановой (PUR/PIR) теплоизоляции, теплопроводность (λ) жёсткой полиуретановой теплоизоляции с облицовками может составлять всего от 0,022 до 0,028 Вт/(м·К) в зависимости от облицовок и толщины. Чем ниже λ, тем меньше тепла проходит через материал, поэтому тот же уровень теплоизоляции достигается при меньшей толщине слоя. Это отраслевой диапазон, а не заявленное значение какого-либо отдельного продукта.
• Малый вес и прочность: по данным PU Europe, около 97% объёма жёсткого пенополиуретана занимает газ, заключённый в ячейках, поэтому материал такой лёгкий. Его механическая прочность растёт с плотностью. В сэндвич-панели он прочно сцепляется с металлическими облицовками и образует сердечник, скрепляющий панель.
• Вода и влага: закрытоячеистая жёсткая пена почти не впитывает воду, тогда как открытоячеистая эластичная пена впитывает её. Паропроницаемость у разных продуктов различается, поэтому проверяйте значение в техническом описании.
• Тепло и солнечный свет: термостойкость зависит от продукта, поэтому единого значения для всего полиуретана не существует. Полиуретаны на основе ароматических изоцианатов желтеют на солнце, и без защиты их не следует оставлять открытыми; покрытия, которые должны сохранять цвет, делают на основе алифатических систем.
• Срок службы: PU Europe указывает, что срок службы жёсткого пенополиуретана составляет 50 лет и более, а ISOPA приводит для теплоизоляции зданий значение более 50 лет. Это отраслевые заявления, а не гарантия для какого-либо отдельного продукта.

4. Где применяется полиуретан?

Коротко: полиуретан утепляет здания, холодильные камеры и холодильники, служит мягким наполнителем мебели, матрасов и автомобильных сидений, а также применяется в покрытиях, клеях и многих формованных деталях.

Чтобы формованная деталь чисто извлекалась из формы, применяют разделительную смазку для форм ППУ. JiTPOL поставляет системы для теплоизоляции, мягкого поролона, интегрального ППУ и напыления: см. наши системы жёсткого пенополиуретана, эластичного пенополиуретана, вязкоэластичного пенополиуретана, интегрального пенополиуретана и напыляемого пенополиуретана.

5. Вреден ли полиуретан?

Ответ зависит от того, идёт ли речь о готовом изделии или о сырье.

Отверждённое готовое изделие

Согласно информационному листу материала EUROPUR, европейской ассоциации производителей блочного эластичного пенополиуретана, отверждённый эластичный пенополиуретан относится к изделиям, а не к опасным веществам, и при нормальном использовании каких-либо воздействий на кожу и дыхательные пути не известно. Тем не менее при резке или шлифовании пены следует использовать подходящие средства защиты от образующейся пыли, а при работе со свежеизготовленной пеной надевать перчатки. Это утверждение относится к эластичной пене; для жёсткой пены, напыляемой пены и других полиуретановых продуктов проверяйте их собственные технические описания.

Сырьё и люди, которые с ним работают

Изоцианаты, то есть сырьё, могут вызывать аллергическую сенсибилизацию кожи и дыхательных путей. Следует, чтобы с ними работали обученные специалисты в хорошо проветриваемых помещениях и с подходящими средствами индивидуальной защиты. В Европейском союзе Регламент (ЕС) 2020/1149 требует, чтобы промышленные и профессиональные пользователи продуктов, содержащих диизоцианаты в количестве 0,1% по массе и более, проходили обучение до начала использования; это требование действует с 24 августа 2023 года, а обучение необходимо обновлять не реже одного раза в пять лет. Всегда читайте паспорт безопасности (SDS) каждого продукта.

Горение

При горении полиуретана выделяются густой дым и токсичные газы, поэтому отходы полиуретана ни в коем случае нельзя сжигать на открытом воздухе.

6. Горит ли полиуретан?

Да, полиуретан является горючим материалом. Его поведение при пожаре зависит от типа продукта, плотности, наличия антипиренов и от того, как он применён в панели или стене. В Европе класс реакции на огонь строительной продукции определяется по результатам испытаний и классифицируется по EN 13501-1; он указывается в отчёте о классификации и в декларации о характеристиках этой продукции. Ориентируйтесь на эти документы, а не на общие выражения вроде «огнестойкий полиуретан». Формулировки вроде «с пониженной горючестью» часто относятся лишь к маломасштабным испытаниям на воспламенение и не описывают опасность при крупном пожаре.

7. Полиуретан и другие теплоизоляционные материалы

По сравнению с EPS (пенополистиролом), XPS (экструдированным пенополистиролом) и каменной ватой главное отличие жёсткого полиуретана в том, что благодаря низкой теплопроводности он обеспечивает тот же уровень теплоизоляции при меньшей толщине слоя. Там, где важны толщина и вес, как в панелях и холодильных камерах, это отличие решает выбор. Каменная вата, напротив, как правило, относится к негорючим материалам (Euroclass A1 или A2; проверяйте декларацию о характеристиках продукции) и может быть предпочтительнее там, где на первом месте класс реакции на огонь. Правильный выбор зависит от требуемого уровня теплоизоляции, толщины, условий по влажности, требований пожарной безопасности и бюджета; сравнивайте каждый материал по его собственному заявленному значению λ.

8. Окружающая среда и переработка

Большая часть полиуретана относится к реактопластам: сшитая структура не позволяет расплавить материал и отформовать его заново (термопластичный полиуретан, TPU, является исключением), поэтому он труднее поддаётся переработке, чем термопласты, но переработать его можно. Обрезки эластичной пены измельчают и снова склеивают (ребонд), получая такие изделия, как подложка под ковровые покрытия. Химические методы, например гликолиз, разлагают пену до продукта с высоким содержанием полиола, который может частично заменять первичный полиол. Отходы, не подлежащие переработке, могут направляться на энергетическую утилизацию путём контролируемого сжигания с очисткой выбросов; сжигание на открытом воздухе недопустимо ни при каких условиях. По данным ISOPA, доля переработки остаётся низкой из-за ограниченных перерабатывающих мощностей и высоких затрат. В теплоизоляционных пенах вспенивающие агенты, разрушавшие озоновый слой (сначала хлорфторуглероды CFC, затем гидрохлорфторуглероды HCFC), поэтапно выведены из использования; в Европе их заменили главным образом пентаном, а в некоторых системах используют агенты типа HFO. Подробнее см. в нашей статье Вторичная переработка полиуретана: методы.

9. Как выбрать подходящую систему

Какой полиуретан использовать, зависит от изделия, которое Вы выпускаете, и от способа производства. Подобрать подходящую систему помогут следующие вопросы:

• Что представляет собой изделие и что от него требуется: теплоизоляция, твёрдость, комфорт или прочность?
• Каким способом ведётся производство: непрерывная линия по выпуску панелей, заливка в формы, производство блочного поролона, заливка в полость или напыление?
• Какие плотность и время отверждения необходимы?
• С какими поверхностями должна сцепляться пена и в каких условиях будет вестись производство?
• Какой класс реакции на огонь, какое испытание или какой сертификат требуется?

Компании, которые разрабатывают готовые двухкомпонентные смеси для решения таких задач, называют системными домами. JiTPOL относится к их числу: компания из Бурсы разрабатывает и поставляет такие системы. Мы можем помочь с выбором системы и выслать Вам необходимое техническое описание (TDS) и паспорт безопасности (SDS).

Часто задаваемые вопросы

Источники

1. ISOPA: Что такое полиуретан? (на английском)
2. ISOPA: Часто задаваемые вопросы о полиуретане (на английском)
3. PU Europe: полиуретановая теплоизоляция (на английском)
4. EUROPUR: информационный лист материала, эластичный пенополиуретан
5. ISOPA, информационный листок: ребондированная эластичная пена (на английском)
6. Википедия: Полиуретаны
7. OSHA: опасности, связанные с изоцианатами (на английском)
8. Регламент Комиссии (ЕС) 2020/1149: диизоцианаты, приложение XVII к REACH (на английском)