Полиуретаны

Полиуретаны представляют собой полимеры, содержащие в своей макромолекуле функциональные группы –O–(C=O)–NH–, образующиеся в результате поликонденсации полиолов и ди- или полиизоцианатов. Основными структурными элементами являются карбаматные (уретановые) связи, которые обеспечивают уникальные механические и физико-химические свойства материала.

Классификация полиуретанов осуществляется по нескольким признакам:

По структуре полимерной цепи: линейные, разветвлённые, сетчатые.
По происхождению сырья: полиэфирные и полиэфирполиоловые, полиэфир- и полиэфиркарбонатные, полиэфир- и полиэфирполиэфирные.
По физическому состоянию: эластомеры, пенополиуретаны (жёсткие и мягкие), покрытия, клеи, композиты.

Линейные полиуретаны характеризуются гибкой структурой и высокой эластичностью, сетчатые – высокой термостойкостью и жёсткостью, что определяет их применение в различных областях техники.

Химические основы синтеза

Синтез полиуретанов основан на реакции полиизоцианатов с полиолами:

[ ]

Основные компоненты:

Полиолы: многоатомные спирты с молекулярной массой 400–10 000 г/моль. Влияние типа полиола на конечные свойства полиуретана значительное: полиэфирные полиолы обеспечивают устойчивость к химическим воздействиям, полиэфирполиолы – эластичность, полиэфиркарбонатные – термоустойчивость.
Полиизоцианаты: ароматические (например, TDI, MDI) и алифатические (например, HDI). Ароматические изоцианаты дают прочные и жёсткие полиуретаны, алифатические – светостойкие и гибкие.

Условия реакции: температура 20–100 °C, катализаторы (например, органические аммины или металлы) для ускорения образования уретановых связей. Важна точная стехиометрия для предотвращения образования побочных поликарбамидных или карбамидных связей.

Физико-химические свойства

Полиуретаны обладают высокой универсальностью свойств:

Механическая прочность и эластичность: обеспечивается сочетанием жёстких сегментов (изоцианатных фрагментов) и мягких сегментов (полиольных цепей).
Термическая устойчивость: температура размягчения 150–200 °C для эластомеров, до 250 °C для жёстких пен.
Химическая стойкость: устойчивость к растворителям, маслам, воде и ультрафиолетовому излучению зависит от структуры полиола и наличия ароматических сегментов.
Демпфирующие свойства: благодаря аморфной мягкой фазе полиуретаны эффективны в качестве виброизоляторов и амортизаторов.

Морфология материала определяется фазовым разделением жёстких и мягких сегментов: микросегрегация обеспечивает уникальное сочетание эластичности и прочности.

Технологии получения

Реакция в массе: полиол и полиизоцианат смешиваются без растворителя; используется для эластомеров, плит и облицовочных покрытий.
Реакция с порообразователями: получение пенополиуретанов путём газообразования (например, с участием воды, вызывающей образование CO₂). Мягкие пенополиуретаны используют для матрасов, сидений, жёсткие – для теплоизоляции.
Каст-процесс: заливка реакционной смеси в форму, подходящий метод для автомобильных деталей и крупногабаритных изделий.
Напыление и покрытие: полиуретановые лаки, краски и покрытия получают с применением распыления и термореакции на поверхности.

Использование катализаторов позволяет контролировать скорость реакции и морфологию, а введение сшивающих агентов формирует сетчатые структуры с улучшенными механическими характеристиками.

Области применения

Эластомеры: колёса, прокладки, ремни, амортизаторы.
Пенополиуретаны: мягкая мебель, матрасы, теплоизоляционные панели, упаковочные материалы.
Клеи и герметики: авиационная, автомобильная и строительная промышленность.
Покрытия и лаки: защитные покрытия для металлов, полов и мебели; автомобильные лаки.
Композитные материалы: армированные полиуретаны в строительстве и промышленности, обладающие высокой прочностью и долговечностью.

Модификация и функционализация

Свойства полиуретанов можно целенаправленно изменять с помощью:

Пластификаторов – увеличение гибкости и эластичности.
Наполнителей (силика, углеродные волокна) – повышение прочности, износостойкости и теплопроводности.
Сшивающих агентов – увеличение жёсткости и термостойкости.
Функциональных групп – введение гидрофобных или гидрофильных сегментов, антибактериальных и антистатических свойств.

Таким образом, полиуретаны представляют собой универсальные полимеры, чьи свойства варьируются от мягких эластомеров до жёстких термостойких материалов, что делает их неотъемлемыми в современной промышленности и технике.