Poliuretany

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
gąbka PU

Poliuretany (PUR lub PU) – 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 uretanowego [−O−CO−NH−]. Z formalnego punktu widzenia, poliuretany są estrowo-amidowymi pochodnymi kwasu węglowego[1]

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 spandeks (lycra, elastan), elastomery do najróżniejszych zastosowań od podeszw butów po elementy zawieszenia samochodów oraz różnego rodzaju pianki oparte na żywicach poliuretanowych. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są pianki[1].

Poliuretany lite[edytuj | edytuj kod]

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[1]:

Synteza liniowych poliuretanów

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 poliuretany lite o w miarę dobrych własnościach mechanicznych, reakcję tę prowadzi się w temperaturze ok. 0 °C[2].

Poliuretany lite są tworzywami termoplastycznymi o niższej temperaturze topnienia od analogicznych poliamidów, ale mają 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), w obuwnictwie do produkcji podeszew butów, w hydraulice i pneumatyce jako materiał na uszczelki, a także do wyrobu wielu drobnych elementów galanteryjnych[2].

Pierwotnie do produkcji poliuretanów stosowano proste diole alifatyczne, zwłaszcza 1,4-butanodiol, jednak tego rodzaju materiały były trudne w obróbce i kruche, stąd ich zastosowania były bardzo ograniczone. Dopiero rozpoczęcie przemysłowej produkcji tzw. "polioli" - to jest oligomerów poliestrowych i polieterowych zakończonych grupami hydroksylowymi pozwoliło zwiększyć zakres zastosowań tych polimerów[3]. Współcześnie proste diole i triole alifatyczne są stosowane przy produkcji poliuretanów głównie jako środki sieciujące i przyspieszające wzrost masy cząsteczkowej otrzymywanych polimerów. DO tego samego celu stosuje się też proste, wielofunkcyjne aminy alifatyczne[4].

Wadą poliuretanów jest wrażliwości wiązań uretanowych na czynniki środowiskowe – takie jak światło słoneczne (promieniowanie ultrafioletowe) i kwaśne środowisko, co ogranicza ich stosowanie[1].

Pianki poliuretanowe[edytuj | edytuj kod]

Przykładowe izomery TDI: 2,4-TDI i 2,6-TDI
Przykładowy izomer MDI: 4,4'-MDI

Do syntezy pianek poliuretanowych stosuje się prawie wyłącznie aromatyczne izocyjaniany, najczęściej są to mieszaniny izomerów różnie podstawionych form diizocyjanianotoluenu (głównie 2,4-diizocyjanianotoluenu) zwanych wspólnie TDI, oraz mieszaniny różnie podstawionych metylodifenylodiizocyjanianów, wspólnie nazywanych MDI. Drugim reagentem przy produkcji pianek są oligomery z grupami −OH na końcach. Są to albo poliestry albo polietery, które w technologicznej praktyce nazywa się poliolami. Nazwa poliole przyjęła się z tego względu, że niezależnie od chemicznego rodzaju surowca (poliester, polieter, glikol i in.), do otrzymania pianek (do reakcji) wykorzystuje się tylko obecność grup hydroksylowych. Pianki na bazie poliestrów i MDI są sztywniejsze i mało odporne na czynniki środowiskowe, zaś pianki na bazie polieterów i TDI są bardziej elastyczne i trwalsze[5].

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; dodatek wody nie pozostaje obojętny na właściwości powstającego poliuretanu, gdyż zwiększa udział wiązań mocznikowych w reagującej masie[2].

W piankach spienianych wodą, czynnikiem powodującym spienianie jest dwutlenek węgla, powstający w wyniku reakcji wody z grupami izocyjanianowymi (reakcja na przykładzie TDI)[1]:

reakcja spieniania

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[1][5].

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Malcolm P. Stevens: Wprowadzenie do chemii polimerów. Warszawa: PWN, 1983, s. 282-287. ISBN 83-01-03110-7.
  2. 2,0 2,1 2,2 George Woods, „Flexible Polyurethane Foams”, Applied Science Publishers, New Jersey, 1981
  3. Seymour, Raymond B., Kauffman, George B.. Polyurethanes: A class of modern versatile materials. „Journal of Chemical Education”. 69 (11), s. 909, 1992. doi:10.1021/ed069p909. 
  4. A Guide To Glycols. , 1992. The Dow Chemical Company. 
  5. 5,0 5,1 D C Allport, D S Gilbert and S M Outterside: MDI, TDI and the Polyurethane Industry. W: D. C. Allport (Editor), D. S. Gilbert (Editor), S. M. Outterside (Editor): MDI and TDI: Safety, Health and the Environment: A Source Book and Practical Guide. Wiley and Sons, 2003. ISBN 978-0-471-95812-3.