Пенополиуретан

В 1937 году небольшой группой учёных исследователей лаборатории IG Farben в Леверкузене под руководством Отто Байера впервые удалось синтезировать новое вещество с весьма необычными свойствами. В зависимости от скорости прохождения реакции и коэффициента смешивания полиола и полиизоцианата кардинально различались и свойства получаемого материала. С одной стороны гибкий, упругий, но не прочный на разрыв (лабораторное название Perlon U, отсюда название «поролон»), а с другой — плотный, твёрдый, прочный, но в то же время хрупкий при сгибании (Igamid U). Горизонты экономического внедрения данного научного открытия были многообещающими и весьма обширные. Уже в 1940 году в Леверкузене началось промышленное производство полиуретана в качестве лепнины. Но начало второй мировой войны внесло свои коррективы: проблемы нехватки сырья и общее перестраивание экономики под военные нужды существенно замедлили развитие полиуретанов. Фактически до 1960-х годов пенополиуретан, как и многие другие полимеры, развивался очень медленно — однако с окончанием войны, восстановлением экономики и бурным послевоенным строительством коммерческий интерес к пенополиуретанам сильно возрос. Таким образом, к 1960 году различными компаниями было суммарно изготовлено более 50000 тонн пены.

Мягкий пенополиуретан (поролон), получил распространение в 1960-х годах несмотря на присущие поролону существенные недостатки. Само его производство является опасным и вредным, так как в состав исходных компонентов входит высокотоксичное соединение — толуилендиизоцианат. Кроме того, поролон гигроскопичен, впитывает запах, имеет ограниченный температурный диапазон использования и, как следствие, относительно небольшой срок эксплуатации. Но самым большим недостатком поролона является его пожароопасность[1]. Введение же при производстве поролона в состав исходных компонентов антипиренов для увеличения огнестойкости материала приводит к резкому ухудшению его физико-механических характеристик и увеличению стоимости. Ранние образцы пенополиуретанов имели сравнительно небольшой срок службы, постепенно разлагаясь на воздухе. С развитием химии стабилизаторов этот недостаток в известной степени преодолён. Однако пожароопасные свойства данного материала сохранились.

Для прохождения реакции присоединения и образования цепочек полимера необходимо наличие как минимум двух различных компонентов: полиола и полиизоцианата. Сама же реакция проходит в несколько этапов. Вначале из диола и диизоцианата формируются бифункциональные молекулы изоцианата имеющие группу (—N═C═O) и гидроксильные группы (—ОН). В результате прохождения цепной реакции, на обоих концах молекулярных групп образуются короткие цепочки структурно идентичных и однородных полимеров, которые могут быть полимеризованы с другими мономерами.

реакция присоединения полиолов

В реакционную смесь добавляют незначительное количество воды, и в результате прохождения реакции с частью изоцианатных групп образуется углекислый газ, который и является основным фактором вспенивания. В то же время, первичная аминогруппа вступает в реакцию с изоцианатом, замещая мочевину, тем самым достигается устойчивость цепи.

Реакция полиизоцианатов с водой

В зависимости от длины цепи газонаполненных микрогранул различаются и механические свойства полиуретана. Так, типичная плотность составляет от 5 до 40 кг/м³ для мягких пеноблоков, которые повсеместно используются в качестве различного вида наполнителей мебели и др. Жёсткие пенополиуретаны, плотностью от 30 до 86 кг/м³, нашли широкое применение в строительстве в качестве теплоизоляционного и шумоизоляционного материала.

В качестве исходных компонентов пенополиуретана обычно применяются продукты нефтехимической промышленности (полиолы и полиизоцианаты), однако, не лишним будет отметить, что возможна выработка компонентов из масел растительного происхождения. В частности, прекрасно подходят для этой цели касторовые масла. Также возможно получение полиолов из соевого, рапсового и подсолнечного масел. Однако такой способ выработки компонентов пенополиуретана экономически нецелесообразен по причине значительного различия в стоимости растительного и нефтехимического сырья. Именно поэтому биогенные пено-компоненты и не нашли широкого применения и их использование ограничено очень узким кругом специфических задач.

Сфера использования пенополиуретанов весьма широка. В автомобильной промышленности его применяют в качестве наполнителя автокресел и шумоизоляции салона транспортных средств, для изготовления полужёстких панелей салона, подлокотников, рукояток и бамперов. В мебельной и лёгкой промышленности в основном используются поролоны в виде наполнителя и прокладочного материала мягкой мебели, подушек, матрацев, при формовке манекенов, в мягких детских игрушках тоже часто используют поролон в качестве наполнителя. В обувной промышленности пенополиуретаны используются в качестве супинаторов и других элементов обуви.

В качестве хладоизолятора в бытовых, а также торговых холодильниках, крупных холодильных камерах и в транспортной холодильной технике применяются жёсткие пенополиуретаны. Другое важное применение жёстких пенополиуретанов — в качестве теплоизоляторов в магистральных трубопроводах, для изоляции низкотемпературных трубопроводов химической промышленности, в качестве теплоизоляции, а также акустической и гидроизоляции при строительстве, капитальном ремонте складов, ангаров, частных загородных домов, производственных цехов, гаражей, в качестве утеплителя, в металлических сэндвич-панелях для строительства быстровозводимых зданий, а также холодильных камер. Достаточно широко применяются уретановые столярные клеи, слегка вспенивающиеся при застывании и заполняющие неплотности пригонки деталей.

Применение жёстких пенополиуретанов с закрытой клеточной структурой для строительства мотивируется очень низкой теплопроводностью (0,029 — 0,041 Вт/(м•K)[2], малой паропроницаемостью, хорошей адгезией и гидроизоляционными характеристиками. Используются как вязкие самовспенивающиеся составы для заливки или нанесения на месте, так и в виде готовых листов. Высокие коэффициенты адгезии делают этот материал весьма универсальным, он может с одинаковым успехом наноситься на бумагу, металл, древесину, штукатурку, кирпич, рубероид, черепицу, металлические трубы и многое другое. Возможность производить и наносить пенополиуретан непосредственно на строительной площадке значительно снижает сопутствующие расходы.

Однокомпонентные составы, отверждаемые влагой воздуха (монтажная пена), также нашли своё применение и часто используются в быту при мелких шумоизоляционных и теплоизоляционных хозяйственных работах, а также там, где требуется заполнение пустот (к примеру, при установке пластиковых окон и дверных проёмов). Они обеспечивают также удовлетворительную механическую прочность и обжим монтируемого элемента.

• Саундерс Д., Фриш К. Химия полиуретанов: Пер. с англ. М.: Химия, 1968;
• Любартович С. А., Морозов Ю. Л., Третьяков О. Б. Реакционное формование полиуретанов. М.: Химия, 1990. 288 с;

Стандарты и нормы

• Постановление Правительства Москвы от 17.02.2004 N 91-ПП — нормативы использования при теплоизоляции труб и теплотрасс;
• Теплоизоляция ограждающих конструкций строений и зданий — СТО 00044807-001-2006;
• Тепловая изоляция трубопроводов заливочным пенополиуретаном ВСН 462-85 (Утверждены Минмонтажспецстроем СССР 29 марта 1985 года);
• Санитарные правила для производств синтетических и полимерных материалов 12 декабря 1988 г. N 4783-88