Wolna encyklopedia

Poliuretany (PUR lub PU) to polimery powstające w wyniku addycyjnej polimeryzacji, wielofunkcyjnych izocyjanianów do amin i alkoholi. Cechą wyróżniającą poliuretany od innych polimerów jest występowanie w ich głównych łańcuchach ugrupowania uretanowe [-O-CO-NH-].

Poliuretany są polimerami łatwiej topliwymi od poliamidów, dzięki czemu łatwiej się je przetwarza, ale mają też mniejszą odporność mechaniczną. Z poliuretanów produkuje się włókna elastyczne typu lycry i elastanu, elastomery do najróżniejszych zastosowań od podeszew butów po elementy zawieszenia samochodów oraz różnego rodzaju pianki oparte na żywicach poliuretanowych. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są niewątpliwie pianki.

Poliuretany lite

Poliuretany lite można otrzymywać w wyniku reakcji chlorków pochodnych kwasu mrówkowego z aminami, ale dużo częściej stosuje się szybszą i wygodniejszą reakcję poliaddycji izocyjanianów z alkoholami:

Reakcja ta może przebiegać błyskawicznie, z wydzieleniem dużych ilości ciepła bez obecności katalizatorów i bez produktów ubocznych, jednakże w praktyce często występuje konieczność katalizowania reakcji. Jako katalizatory stosowane są najczęściej trzeciorzędowe aminy lub związki metaloorganiczne. Aby uzyskać lite poliuretany o w miarę dobrych własnościach mechanicznych, reakcję tę prowadzi się w temperaturze ok 0°C.

Lite poliuretany są tworzywami termoplastycznymi o niższej temperaturze topnienia od analogicznych poliamidów, ale posiadają one gorsze własności mechaniczne i nie są tak kruche jak poliamidy lite, przynajmniej w temperaturach powyżej 0°C; Są stosowane m.in. w przemyśle samochodowym (do produkcji klamek, elementów tapicerki, oraz elementów amortyzatorów), obuwnictwie do produkcji podeszew butów.

Wadą poliuretanów jest ich stosunkowo niska trwałość - wynikająca z wrażliwości wiązań uretanowych na czynniki środowiskowe - takie jak światło słoneczne i kwaśne środowisko.

Pianki poliureatanowe

Do syntezy pianek poliureatanowych stosuje się prawie wyłącznie aromatyczne izocyjaniany. Są to zwykle mieszaniny izomerów toluenodiizocyjanianu (głównie 2,4-diizocyjanianotoluenu) oraz metylodifenylodizocyjanian (tzw. MDI, nazwa systematyczna: 1-izocyjaniano-4-(4-izocyjanianobenzylo)benzen). TDI jest nieco mniej reaktywny i nadaje piankom większą sztywność, zaś MDI jest bardziej reaktywny i prowadzi do otrzymania pianek bardziej elastycznych. Drugim reagentem przy produkcji pianek są oligomery z grupami -OH na końcach. Są to albo poliestry albo polietery, które w technologicznej praktyce nazwa się poliolami. Nazwa poliole przyjęła się z tego względu, że niezależnie od chemicznego rodzaju surowca (poliester, polieter, glikol i in.), do otrzymania PUR (do reakcji) wykorzystuje się tylko obecność grup hydroksylowych. Pianki na bazie poliestrów są sztywniejsze i mało odporne na czynniki środowiskowe, zaś pianki na bazie polieterów są bardziej elastyczne i trwalsze.

Pianki PU wszystkich rodzajów otrzymuje się w wyniku spontanicznej reakcji między oboma wcześniej wspomnianymi grupami reagentów. Reakcję tę prowadzi się zwykle w temperaturze pokojowej przyspieszając ją dodatkowo katalizatorami, którymi najczęściej są trzeciorzędowe aminy.

Efekt spieniania uzyskuje się na trzy sposoby:

• dodawanie do układu lotnych rozpuszczalników, które parują na skutek samorzutnego ogrzewania się układu reakcji powodując powstawanie porów - aktualnie ten sposób jest w dużym stopniu zarzucony ze względu na szkodliwość dla środowiska
• przepuszczanie przez reagującą mieszaninę gazów obojętnych (zwykle azotu)
• dodawanie do układu reakcji wody - jest to obecnie najczęściej stosowana metoda - gdyż układy z wodą ulegają spienieniu całkowicie samorzutnie.

Trzeba przy tym zaznaczyć, że dodatek wody nie pozostaje obojętny na właściwości powstającego poliuretanu, gdyż zwiększa udział wiązań mocznikowych w reagującej masie. W piankach spienianych wodą, czynnikiem powodującym spienianie jest dwutlenek węgla, powstający w wyniku reakcji wody z grupami izocyjanianowymi (reakcja na przykładzie TDI:)

W drugim etapie otrzymane aminy reagują błyskawicznie z TDI, tworząc wiązania mocznikowe:

reakcja żelowania I

Równolegle wyjściowy TDI reaguje także z poliolami:

reakcja żelowania II

Obie ostatnie reakcje prowadzą razem do tworzenia się polimeru i żelowania całego układu. Proporcje między tymi trzema reakcjami, którymi steruje się poprzez dobór rodzaju katalizatora oraz udziału wody w układzie reakcji decydują o rozmiarach porów i własnościach powstającej pianki.

Pianki PU stosuje się masowo w przemyśle meblarskim (gąbki tapicerskie i materacowe), samochodowym (gąbki tapicerskie, sztywne pianki do zderzaków, elementów wystroju wnętrza i amortyzatorów) oraz obuwniczym i tekstylnym (tkaniny z podszewkami gąbczastymi, tkaniny ociepleniowe) i wreszcie stosuje się je jako gąbki do kąpieli i rozmaite materiały izolacyjne, kity uszczelniające, spoiwa i kleje.

Bibliografia

• George Woods, „Flexible Polyurethane Foams”, Applied Science Publishers, New Jersey, 1981