Що таке поліуретан?

Поліуретан (PU) є родиною пластмас (полімерів), що утворюються внаслідок реакції двох рідких компонентів: поліолу та ізоціанату. Залежно від виду й співвідношення компонентів з тієї самої хімії отримують м'яку амортизаційну піну, жорстку ізоляційну піну, еластичне покриття або міцну формовану деталь. Саме тому піна для матраців, панель холодильної камери та ізоляція холодильника належать до однієї родини матеріалів.

1. Як утворюється поліуретан

Поліуретан виготовляють із двох основних видів сировини: поліолу та ізоціанату. Поліол є молекулою з двома або більше гідроксильними групами (OH). Ізоціанат, найчастіше MDI або TDI, має дві або більше реакційноздатних груп NCO. Коли їх змішують, починається реакція з виділенням тепла, у ході якої утворюються уретанові зв'язки, що з'єднують молекули між собою. Полімер отримав свою назву саме від цього зв'язку.

Двокомпонентна система: компонент A і компонент B

У промисловості поліуретан зазвичай постачають як двокомпонентну систему. У Європі та Туреччині компонентом A зазвичай є готова суміш поліолу з каталізаторами, поверхнево-активними речовинами, спінювальними агентами та іншими добавками, а компонентом B є ізоціанат, підібраний до цієї суміші. У Північній Америці літери часто використовують навпаки, тому завжди керуйтеся етикетками на бочках і технічними паспортами. Дозувальна машина змішує обидва компоненти у заданому співвідношенні й подає суміш у форму, на панельну лінію або безпосередньо на поверхню, яку ізолюють.

Як утворюється піна

Під час виготовлення піни одночасно відбуваються дві реакції. У реакції гелеутворення поліол та ізоціанат утворюють полімерну сітку. У реакції спінювання ізоціанат реагує з водою й виділяє вуглекислий газ. Цей газ разом із фізичним спінювальним агентом, якщо він є в системі (наприклад, пентаном або HFO), перетворює рідку суміш на піну. Баланс між двома реакціями визначає структуру комірок і густину піни. Амін, що утворюється під час реакції спінювання, реагує з додатковою кількістю ізоціанату й утворює сечовинні зв'язки, тому в більшості пін поряд з уретановими групами є й певна кількість сечовинних груп.

Чому з однієї хімії виходить так багато різних виробів

Довгі гнучкі ланцюги поліолу дають м'які вироби, що повертають форму. Короткі, сильно розгалужені поліоли утворюють щільно зшиту жорстку структуру. Невеликі зміни в рецептурі безпосередньо змінюють густину, твердість, теплоізоляційні властивості та час твердіння. Саме тому поліуретан називають системою, яку підбирають під кожне застосування, а не окремим продуктом. Докладніше про обидва види сировини розповідає наш посібник Поліол та ізоціанат.

Коротка історія

Поліуретан уперше отримав у 1937 році Otto Bayer (Отто Байєр) зі співробітниками в компанії IG Farben у Leverkusen (Леверкузен), Німеччина. У невеликих обсягах його використовували ще під час Другої світової війни, наприклад як покриття для літаків, а жорсткі піни, еластомери, клеї та еластичні піни набули ширшого застосування в 1950-х роках. Сьогодні це один із основних видів пластмас: світове виробництво у 2019 році становило близько 25 мільйонів тонн, або приблизно 6 % усіх полімерів.

2. Види поліуретану

У повсякденному мовленні під «поліуретаном» зазвичай розуміють або м'яку піну, або ізоляційну піну. Проте та сама хімія охоплює дуже різні групи продуктів:

Еластичний пінополіуретан (м'яка піна)

М'яка піна з відкритими комірками, яка повертає форму після стискання; її застосовують у меблях, матрацах і автомобільних сидіннях. Піну виготовляють або у вигляді великих блоків (блокова піна), які потім розрізають, або формують у формах. Залежно від застосування її густина становить приблизно від 10 до 300 кг/м³.

Еластичний пінополіуретан виготовляють із простих або складних поліефірних поліолів. Загалом піни на основі простих поліефірів стійкіші до води, а на основі складних поліефірів стійкіші до розчинників і стирання. Густина (у торгівлі піною частіше кажуть «щільність») показує масу піни в одному кубічному метрі (кг/м³). Сама по собі вона не описує жорсткість, оскільки твердість вимірюють окремо (наприклад, методом вдавлювання, ISO 2439), тому дві піни однакової густини можуть відчуватися по-різному.

В'язкопружна піна (з ефектом пам'яті)

Еластична піна, яка повільно відновлює форму після натискання. Оскільки вона повторює форму тіла, її використовують у матрацах, подушках і медичних амортизаційних подушках.

Жорсткий пінополіуретан: PUR і PIR

Легка піна, комірки якої переважно закриті, з високою теплоізоляційною здатністю. Її застосовують у сендвіч-панелях, панелях холодильних камер, холодильниках, ізотермічних кузовах і баках для гарячої води. PIR (поліізоціанурат) є жорсткою піною, виготовленою з додатковою кількістю ізоціанату, який утворює кільцеві структури й робить піну стійкішою до нагрівання. Відмінність між ними полягає у співвідношенні ізоціанату та поліолу (індексі): PUR виготовляють за індексу близько 100, а PIR за значно вищого індексу, зазвичай понад 180. Сама назва не визначає клас реакції на вогонь: його наведено у звіті про класифікацію виробу. Наш посібник Теплоізоляція PIR і PUR порівнює ці два типи.

Напилюваний пінополіуретан

Два компоненти напилюють на місці спеціальною машиною, і піна піднімається за лічені секунди. На дахах, фасадах і складських будівлях вона утворює суцільний шар теплоізоляції з мінімумом швів або й зовсім без них.

Інтегральний пінополіуретан

Система, яка за одне заливання у формі утворює щільну зовнішню шкірку та легшу пінну серцевину. Її застосовують для керм, підлокітників, меблевих деталей і декоративних виробів.

Еластомери, покриття та клеї

Поліуретан використовують і в непінному вигляді: зносостійкі еластомерні деталі, як-от колеса й ролики, покриття для підлоги та інших поверхонь, клеї та герметики. До тієї самої родини належить термопластичний поліуретан (TPU), який можна повторно формувати під дією тепла.

Поліуретан і полісечовина: у чому різниця

Поліуретан утворюється, коли ізоціанат реагує з поліолом, а полісечовина утворюється, коли ізоціанат реагує з аміном. Полісечовина твердне дуже швидко, і її зазвичай наносять машинами для гарячого напилення під високим тиском, застосовуючи для гідроізоляції та захисних покриттів. Існують і гібридні системи, що поєднують обидва матеріали. Як обирають між ними виконавці напилювальних робіт, описано в статті Напилюваний ППУ чи полісечовина.

Чи монтажна піна в балоні теж є поліуретаном?

Так. Більшість монтажних пін у балонах, які продають у будівельних магазинах, є однокомпонентними поліуретановими пінами, що твердіють від вологи повітря. Вони відрізняються від двокомпонентних систем, які промисловість використовує для виготовлення панелей, м'якої піни та формованих деталей. Незатверділа піна з балона містить реакційноздатний ізоціанат, тому працюйте в рукавичках і захисних окулярах, провітрюйте приміщення та дотримуйтеся попереджень на балоні.

3. Основні властивості

Властивості поліуретану залежать від його виду, густини та рецептури, тому кожен із наведених нижче пунктів стосується тієї групи продуктів, яку в ньому названо:

• Теплоізоляція: жорсткий поліуретан із закритими комірками є одним із поширених теплоізоляційних матеріалів із найнижчою теплопровідністю. PU Europe, асоціація європейської галузі поліуретанової (PUR/PIR) теплоізоляції, зазначає, що жорсткий поліуретан з облицюванням може досягати низької теплопровідності (λ), від 0,022 до 0,028 Вт/(м·К), залежно від облицювання та товщини. Чим нижча λ, тим менше тепла проходить крізь матеріал, тому потрібного рівня теплоізоляції можна досягти тоншим шаром. Це галузевий діапазон, а не задеклароване значення будь-якого окремого виробу.
• Легкість і міцність: за даними PU Europe, близько 97 % об'єму жорсткого пінополіуретану становить газ, що утримується в комірках, тому він такий легкий. Його механічна міцність зростає разом із густиною. У сендвіч-панелі він міцно з'єднується з металевим облицюванням і утворює серцевину, яка скріплює панель.
• Вода та вологість: жорстка піна із закритими комірками майже не вбирає воду, тоді як еластична піна з відкритими комірками вбирає її. Паропроникність різниться залежно від продукту, тому перевіряйте значення в технічному паспорті.
• Тепло та сонячне світло: термостійкість залежить від продукту, тому єдиного значення для всього поліуретану не існує. Поліуретани, виготовлені з ароматичних ізоціанатів, жовтіють на сонці, і їх не слід залишати відкритими без захисту; для покриттів, які мають зберігати колір, використовують аліфатичні системи.
• Строк служби: PU Europe зазначає, що жорсткий пінополіуретан має строк експлуатації 50 років і більше, а ISOPA для теплоізоляції будівель наводить понад 50 років. Це галузеві заяви, а не гарантія для окремого виробу.

4. Де застосовують поліуретан?

Коротко: поліуретан забезпечує теплоізоляцію будівель, холодильних камер і холодильників, м'якість і комфорт меблів, матраців та автомобільних сидінь, а також застосовується в покриттях, клеях і багатьох формованих деталях.

Для формованих деталей розділювальне мастило допомагає легко вийняти деталь із форми, не пошкодивши її. JiTPOL постачає системи для теплоізоляції, м'якої піни, інтегральної піни та напилення: ознайомтеся з нашими жорсткими, еластичними, в'язкопружними, інтегральними та напилюваними системами.

5. Чи шкідливий поліуретан?

Відповідь залежить від того, про що йдеться: про готовий виріб чи про сировину.

Затверділий готовий виріб

Згідно з інформаційним листом про матеріал від EUROPUR, європейської асоціації виробників блоків еластичного пінополіуретану, затверділий еластичний пінополіуретан класифікують як виріб, а не як небезпечну речовину, і за нормального використання жодного впливу на шкіру чи дихальні шляхи не відомо. Проте від пилу, що утворюється під час різання або шліфування піни, слід користуватися відповідними засобами захисту, а під час роботи зі щойно виготовленою піною надягати рукавички. Це твердження стосується еластичної піни; для жорсткої піни, напилюваної піни та інших поліуретанових виробів перевіряйте технічні паспорти самого продукту.

Сировина та люди, які з нею працюють

Ізоціанати, сировина для поліуретану, можуть спричиняти алергічну сенсибілізацію шкіри та дихальних шляхів. Працювати з ними мають навчені люди, у добре провітрюваних приміщеннях і з відповідними засобами індивідуального захисту. У Європейському Союзі Регламент (EU) 2020/1149 вимагає, щоб промислові та професійні користувачі продуктів, які містять діізоціанати в кількості 0,1 % за масою або більше, проходили навчання перед використанням; це діє з 24 серпня 2023 року, а навчання потрібно повторювати щонайменше кожні п'ять років. Завжди читайте паспорт безпеки (SDS) кожного продукту.

Горіння

Під час горіння поліуретан виділяє густий дим і токсичні гази, тому поліуретанові відходи ніколи не слід спалювати просто неба.

6. Чи горить поліуретан?

Так, поліуретан є горючим матеріалом. Його поведінка під час пожежі залежить від виду продукту, густини, наявності антипіренів і способу, у який його вбудовано в панель чи стіну. У Європі клас реакції на вогонь будівельного виробу визначають за результатами випробувань і класифікують згідно з EN 13501-1; його зазначено у звіті про класифікацію виробу та в декларації про експлуатаційні характеристики. Спирайтеся саме на ці документи, а не на загальні фрази на кшталт «вогнестійкий поліуретан». Формулювання на кшталт «зі зниженою горючістю» часто стосуються лише невеликих випробувань на займання й не описують небезпеку під час великої пожежі.

7. Поліуретан та інші теплоізоляційні матеріали

Порівняно з пінопластом (EPS), екструдованим пінополістиролом (XPS) і кам'яною ватою найпомітніша відмінність жорсткого поліуретану полягає в тому, що його низька теплопровідність дає змогу досягти такої самої теплоізоляції тоншим шаром. Там, де важливі товщина та вага, як-от у панелях і холодильних камерах, ця різниця визначає вибір. З іншого боку, кам'яну вату зазвичай відносять до негорючих матеріалів (Euroclass A1 або A2; перевіряйте декларацію про експлуатаційні характеристики виробу), і їй можуть віддавати перевагу там, де на першому місці клас реакції на вогонь. Правильний вибір залежить від потрібного рівня теплоізоляції, товщини, вологісних умов, вимог до пожежної безпеки та бюджету; порівнюйте кожен матеріал за його власним задекларованим значенням λ.

8. Довкілля та рециклінг

Більшість поліуретанів є реактопластами: їхня зшита структура не дає змоги розплавити матеріал і сформувати його повторно (виняток становить термопластичний поліуретан, TPU), тому їх складніше рециклювати, ніж термопласти, проте це можливо. Обрізки еластичної піни подрібнюють і знову склеюють (ребонд) у такі вироби, як підкладка під килими. Хімічні методи, як-от гліколіз, розкладають піну на продукт, багатий на поліол, який може частково замінити новий поліол. Відходи, які не можна рециклювати, можуть бути спрямовані на енергетичну утилізацію шляхом контрольованого спалювання з фільтрацією викидів; спалювання просто неба неприпустиме за жодних умов. За даними ISOPA, рівень рециклінгу залишається низьким через обмежену кількість відповідних установок і високі витрати. В ізоляційних пінах спінювальні агенти, що руйнували озоновий шар (спочатку CFC, потім HCFC), виведено з використання; у Європі їх замінили переважно пентаном, а деякі системи використовують агенти типу HFO. Докладніше див. наш посібник Рециклінг поліуретану.

9. Як вибрати потрібну систему

Який поліуретан використовувати, залежить від виробу, який ви виготовляєте, і від способу виготовлення. Знайти потрібну систему допоможуть такі запитання:

• Який це виріб і що йому потрібно: теплоізоляція, твердість, комфорт чи міцність?
• Який спосіб виробництва: безперервна лінія панелей, заливання у форму, блокова піна, інжекція чи напилення?
• Яка потрібна густина й час твердіння?
• До яких поверхонь піна має приклеюватися та за яких умов її виготовлятимуть?
• Який клас реакції на вогонь, випробування чи сертифікат потрібні?

Компанії, які за відповідями на ці запитання розробляють готові двокомпонентні суміші, називають виробниками поліуретанових систем. JiTPOL у Бурсі працює саме за цією моделлю: розробляє та постачає такі системи. Ми можемо допомогти з вибором системи та надіслати потрібні вам технічний паспорт (TDS) і паспорт безпеки (SDS).

Поширені запитання

Джерела

1. ISOPA: Що таке поліуретан? (англійською)
2. ISOPA: Поширені запитання про поліуретан (англійською)
3. PU Europe: поліуретанова теплоізоляція (англійською)
4. EUROPUR: інформаційний лист про матеріал, еластичний пінополіуретан (англійською)
5. ISOPA: довідковий лист про ребондовану еластичну піну (англійською)
6. Вікіпедія: Поліуретани
7. OSHA: небезпеки ізоціанатів (англійською)
8. Регламент Комісії (EU) 2020/1149 (діізоціанати, додаток XVII до REACH) (англійською)