Poliuretanski, obično skraćeno kao PU ili PUR, je svestrana klasa polimera nastalih reakcijom spojeva koji sadrže izocijanatne grupe s poliolima ili drugim molekulima koji sadrže aktivne vodikove grupe.
Za razliku od mnogih konvencionalnih plastika koje su povezane s relativno uskim rasponom svojstava, poliuretan se može konstruisati u izuzetno širokom spektru – od mekog, fleksibilne pjene i elastomeri do krutih strukturalnih pjena, premazi, Ljepila, brtvila, i komponente tvrdog inženjeringa.
Ova svestranost prvenstveno dolazi od poliuretana segmentirana molekularna struktura i sposobnost modifikacije njegove hemije, gustina umreženosti, ćelijska struktura, i uslove obrade.
Odabirom različitih poliola, izocijanata, produzači lanca, katalizatori, sredstva za napuhavanje, i aditivi, proizvođači mogu prilagoditi poliuretan zahtjevima kao što je amortizacija, Otpornost na abraziju, Toplotna izolacija, Kemijska otpornost, fleksibilnost, apsorpcija uticaja, i dimenzionalna stabilnost.
Ovaj članak ispituje šta je poliuretan iz oba a perspektiva nauke o materijalima i proizvodnje, uključujući njegovu hemijsku strukturu, glavne vrste, nekretnine, Metode proizvodnje, prednosti, ograničenja, i inženjerske aplikacije.
1. Šta je poliuretan?
Poliuretan je polimer koji sadrži značajan broj uretanske veze, obično predstavljena hemijskom strukturom:
–NH–CO–O–
Ove uretanske grupe obično nastaju reakcijom između izocijanatnih grupa (–Podoficir) i hidroksilnu grupu (–OH):
R–NCO + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
Ova reakcija je osnovna hemija koja stoji iza proizvodnje poliuretana.
Međutim, komercijalni poliuretanski materijali rijetko se sastoje samo od jednostavnih uretanskih jedinica koje se ponavljaju.
Njihove molekularne strukture također mogu sadržavati eter, ester, urea, karbonat, aromatično, alifatski, ili druge funkcionalne grupe, ovisno o odabranim sirovinama.
Zbog toga dva proizvoda koja se opisuju kao "poliuretan" mogu imati dramatično različita svojstva.
Na primjer, fleksibilna poliuretanska pjena koja se koristi u namještaju može biti mekana i vrlo elastična, dok poliuretanski elastomer koji se koristi za industrijske valjke može imati visoku tvrdoću, zatezna čvrstoća, i otpornost na abraziju.
Čvrsta poliuretanska pjena koja se koristi u rashladnoj opremi, u međuvremenu, prvenstveno je projektovan za nisku toplotnu provodljivost i stabilnost dimenzija.
Termoreaktivni i termoplastični poliuretani
Poliuretanski materijali se mogu široko podijeliti prema njihovoj molekularnoj arhitekturi i ponašanju u procesu obrade.
Termoreaktivni poliuretan razvija trajno umreženu mrežu tokom očvršćavanja.
Jednom dovoljno izlečen, ne može se jednostavno istopiti i preoblikovati bez izazivanja hemijske degradacije.
Mnogi liveni elastomeri, premazi, Ljepila, i kruti poliuretanski sistemi spadaju u ovu kategoriju.
Termoplastični poliuretan (TPU) sadrži pretežno linearne ili fizički povezane polimerne strukture i može se omekšati zagrijavanjem i više puta obraditi unutar svog prozora za termičku obradu.
TPU kombinuje mnoge karakteristike elastomera sa termoplastičnim metodama obrade kao što su brizganje i ekstruzija.
Razlika je važna jer direktno utiče na proizvodnju, Reciklabilnost, popravljivost, i performanse krajnje upotrebe.
Glavne karakteristike poliuretana
Iako se poliuretanske formulacije znatno razlikuju, mnogi poliuretanski materijali pokazuju korisnu kombinaciju mehaničkih i hemijskih svojstava.
Tipične karakteristike uključuju:
- Visoka otpornost na habanje i habanje
- Dobra elastičnost i elastičnost
- Podesiva tvrdoća
- Dobra otpornost na udarce
- Dobra otpornost na ulja i mnoge hemikalije
- Odlična adhezija na mnoge podloge
- Dobra otpornost na umora
- Široka fleksibilnost obrade
- Dobra toplinska izolacija u ćelijskim oblicima
- Sposobnost proizvodnje i fleksibilnih i krutih struktura
Točan učinak uvelike ovisi o formulaciji.
Na primjer, poliuretan je često vrlo otporan na habanje, ali otpornost na hidrolizu, UV zračenje, toplovati, ili specifične hemikalije značajno variraju između različitih hemija poliuretana.
Stoga, Odabir materijala uvijek treba biti zasnovan na specifična poliuretanska formulacija i radno okruženje, a ne na generičkom terminu “PU”.
2. Hemijski sastav i molekularna struktura poliuretana
Poliuretanski (PU) nije jedno hemijsko jedinjenje, već široka porodica polimera čija svojstva se mogu prilagoditi odabirom i proporcijom različitih hemijskih gradivnih blokova.
Osnovna poliuretanska reakcija se javlja između izocijanatnih grupa (–Podoficir) i hidroksilne grupe (–OH), stvaranje uretanskih veza.
Promjenom molekularne strukture, funkcionalnost, molekularne težine, i odnos reaktanata, proizvođači mogu proizvoditi materijale u rasponu od fleksibilnih pjena i elastomera do krutih pjena, premazi, Ljepila, i inženjerske komponente visoke čvrstoće.
Osnovni hemijski građevinski blokovi
Dvije glavne porodice reaktanata su izocijanata i poliola.
Ostale komponente, uključujući produžne lance, crosslinkers, katalizatori, sredstva za napuhavanje, surfaktanti, i aditivi za performanse, uvode se kada su specifične mehaničke, termalni, obrada, ili su potrebne karakteristike životne sredine.
| Component Category | Primarna funkcija | Uobičajeni primjeri |
| Izocijanati | Osigurati reaktivne –NCO grupe i doprinijeti teškim segmentima, snaga, rigidnost, i hemijsku otpornost | MDI, TDI, HDI, IPDI |
| Polioli | Formiraju mekane segmente i snažno utiču na fleksibilnost, elastičnost, otpornost na hidrolizu, i ponašanje na niskim temperaturama | Polieter polioli, poliester polioli, polikarbonatnih poliola |
| Chain Extenders | Povećajte sadržaj tvrdih segmenata i regulirajte molekularnu težinu, tvrdoća, zatezna čvrstoća, i faznu strukturu | 1,4-Butanediol (BDO), etilen glikol, diamines |
| Crosslinkers | Uvesti trodimenzionalne mrežne strukture i povećati rigidnost, Stabilnost dimenzija, i otpornost na toplinu | trimetilolpropan (TMP), multifunkcionalni polioli |
Katalizatori |
Kontrolišite brzinu reakcije i utječite na ravnotežu između konkurentskih poliuretanskih reakcija | Tercijarni amini, organometalni katalizatori |
| Blowing Agents | Stvara plin i stvara ćelijsku strukturu poliuretanske pjene | Voda, pentan, CO₂, odabrana fizička sredstva za napuhavanje |
| Površinski aktivi | Stabilizirajte pjenu u razvoju i kontrolirajte veličinu ćelije, ujednačenost, i morfologija | Surfaktanti na bazi silikona |
| Aditivi | Modificirati specifične karakteristike performansi kao što je otpornost na plamen, UV stabilnost, boja, Otpornost na oksidaciju, ili ponašanje obrade | Usporivači plamena, UV stabilizatori, antioksidansi, pigmenti |
3. Glavne vrste poliuretana
Polyurethane is a versatile polymer family rather than a single material with fixed properties.
By changing the isocyanate, polyol, chain extender, gustina umreženosti, blowing system, i uslove obrade, manufacturers can produce polyurethane materials ranging from soft and highly flexible foams to rigid structural polymers and high-performance elastomers.
Fleksibilna poliuretanska pjena
Flexible polyurethane foam is characterized by an open-cell structure, relativno male gustine, and high resilience.
It is produced by combining polyols and isocyanates with blowing agents and other additives under controlled foaming conditions.
Its interconnected cellular structure allows the material to compress and recover repeatedly.
Foam density, cell size, tvrdoća, otpornost, and compression set can be adjusted through formulation and processing.
Tipične aplikacije uključuju:
- Furniture and mattress cushioning
- Automotive seats and interior components
- Acoustic and vibration-control products
- Ambalaža i zaštitni materijali
- Fleksibilne brtve i elementi jastuka
Za aplikacije za amortizaciju, gustina, tvrdoća udubljenja, otpornost, i kompresijski set često su važnije od same vlačne čvrstoće.
Čvrsta poliuretanska pjena
Kruta poliuretanska pjena ima pretežno zatvorenu ćelijsku strukturu i dizajnirana je za visoku krutost, Stabilnost dimenzija, i toplotnu izolaciju.
Njegova niska toplotna provodljivost je prvenstveno rezultat ćelijske strukture i gasa sadržanog u ćelijama.
Ovisno o formulaciji i proizvodnom procesu, kruti PU i PIR sistemi mogu pružiti odlične performanse izolacije pri relativno maloj gustini.
Uobičajene primjene uključuju izolaciju zgrada, rashladna oprema, paneli za hlađenje, izolovane cevi, i izolaciju uređaja.
Tipična formula krute pjene mora istovremeno uravnotežiti nekoliko svojstava:
| Nekretnina | Važnost |
| Gustina | Utiče na snagu, Stabilnost dimenzija, i toplotne performanse |
| Sadržaj zatvorenih ćelija | Važno za izolaciju i otpornost na vlagu |
| Snaga pritiska | Određuje nosivost |
| Toplotna provodljivost | Kritičan za primjenu energetske efikasnosti |
| Dimenzijska stabilnost | Kontrolira dugoročne performanse pod temperaturnim promjenama |
| Performanse zapaljivosti | Važno za primjenu u građevinarstvu i transportu |
Poliuretanski elastomeri
Poliuretanski elastomeri zauzimaju važnu poziciju između konvencionalne gume i krute inženjerske plastike.
Mogu kombinovati relativno visoku vlačnu čvrstoću i otpornost na habanje sa značajnom elastičnom deformacijom.
Dostupni su kao termoplastični poliuretan (TPU), liveni poliuretanski elastomeri, i termoset sistemi.
Poliuretanski elastomeri su posebno cijenjeni za primjene koje uključuju ponovljeno mehaničko opterećenje, uticaj, trenje, ili abrazije.
Točkovi, valjci, brtve, brtve, čahure, Komponente transportnih transportera, i industrijski habajući dijelovi su uobičajeni primjeri.
Njihove performanse snažno zavise od sadržaja tvrdog segmenta i molekularne arhitekture.
Povećanje koncentracije tvrdih segmenata općenito povećava tvrdoću i modul, dok odgovarajuća hemija mekog segmenta održava elastičnost i izduženje.
Termoplastični poliuretan (TPU)
TPU je termoplastični oblik poliuretana koji se može više puta omekšati zagrijavanjem i obraditi korištenjem konvencionalnih termoplastičnih proizvodnih tehnologija.
Za razliku od visoko umreženog termoreaktivnog poliuretana, TPU se prvenstveno oslanja na fizičke interakcije i segmentiranu polimernu morfologiju kako bi postigao svoja mehanička svojstva.
To ga čini pogodnim za brizganje, ekstruzija, puhanje, i drugi kontinuirani proizvodni procesi.
TPU se može formulirati u širokom rasponu tvrdoće, tipično od vrlo mekih elastomernih do relativno krutih inženjerskih razreda.
Tipične aplikacije uključuju:
- Omoti kablova i zaštitni omotači
- Automobilske komponente
- Industrijska crijeva i cijevi
- Brtve i fleksibilni konektori
- Komponente obuće
- Kućišta i zaštitni dijelovi potrošačkih proizvoda
Liveni poliuretan
Liveni poliuretan se proizvodi miješanjem reaktivnih komponenti i izlivanjem formulacije u kalup, gde se odvija polimerizacija i očvršćavanje.
Ovaj proces je posebno koristan za proizvodnju velikih ili prilagođenih elastomernih komponenti koje bi bilo teško ili neekonomično proizvesti konvencionalnom preradom termoplasta.
Lijevani poliuretan se može formulirati za različite kombinacije tvrdoće, elastičnost, otpornost na kidanje, Otpornost na abraziju, i hemijsku otpornost.
Industrijski valjci, oštrice strugača, nosite obloge, brtve, čahure, i komponente otporne na udarce su tipične primjene.
Poliuretanski premazi, Ljepila, i brtvila
Poliuretan se također široko koristi kao funkcionalna površina ili vezivni materijal, a ne kao masivna strukturna komponenta.
Poliuretanski premazi može pružiti otpornost na habanje, Kemijska otpornost, vremenske prilike, fleksibilnost, i atraktivne površinske obrade. Koriste se na metalima, plastika, drvo, beton, i druge podloge.
Poliuretanska ljepila mogu formirati jake veze između različitih materijala i koriste se u automobilskoj industriji, izgradnja, obuća, namještaj, i industrijsko sastavljanje.
Poliuretanski zaptivači kombinirati prianjanje s elastičnom deformacijom, omogućavajući zglobovima da se prilagode pokretima uzrokovanim toplinskim širenjem, vibracija, ili mehaničko pomeranje.
4. Ključna svojstva poliuretana
Poliuretanski (PU) odlikuje se neobično širokim rasponom mehaničkih, termalni, hemikalija, i fizička svojstva.
Za razliku od metala ili mnogih konvencionalnih termoplasta, poliuretan je porodica materijala čije se performanse mogu u velikoj mjeri modificirati odabirom izocijanatnog tipa, hemija poliola, sadržaj tvrdog segmenta, gustina umreženosti, Aditivi, gustina, i ćelijsku strukturu.
Samim tim, ne postoji jedinstven skup mehaničkih svojstava koji predstavlja sve poliuretanske proizvode.
Fleksibilni polieterski elastomer, čvrsta izolaciona pena, i liveni poliuretan visoke tvrdoće može se hemijski klasifikovati kao poliuretan dok pokazuje potpuno različite karakteristike performansi.
Prema tome, sljedeće vrijednosti treba tretirati kao reprezentativni inženjerski rasponi ili primjeri, a ne univerzalne specifikacije.
Konačni odabir materijala uvijek treba biti zasnovan na testiranom tehničkom listu proizvođača prema relevantnom ASTM, ISO, ili EN standard.
Mehanička svojstva
| Nekretnina | Tipični inženjerski opseg / Primer | Glavni kontrolni faktori |
| Gustina – čvrst elastomer | ~1,1–1,3 g/cm³ | Hemija polimera, punila |
| Gustina – čvrsta PU pjena | ~30–45 kg/m³ za mnoge izolacijske proizvode | Sistem duvanja, formulacija, ćelijska struktura |
| Zatezna čvrstoća | ~15–50+ MPa za mnoge elastomere | Tvrdoća, molekularna struktura, umrežavanje |
| Izduženje | ~300–700% za mnoge fleksibilne elastomere | Hemija mekog segmenta i gustina umreženja |
Tvrdoća |
~45 Shore A do 70 Obala D+ | Sadržaj tvrdog segmenta, umrežavanje |
| Toplotna provodljivost – elastomer | ~0,15–0,25 W/(m · K), razreda ovisan | Gustina i formulacija |
| Toplotna provodljivost – kruta pjena | ~0,020–0,030 W/(m · K) | Struktura ćelije, plin, gustina, starenje |
| Volumenska otpornost | Može doseći ~10¹³ Ω·cm u odgovarajućim klasama | Formulacija, vlaga, temperatura |
| Dugotrajna temperatura rada | Uobičajene klase od -30 do +80°C; specijalizovani razredi viši | Hemija i formulacija polimera |
Otpornost na abraziju i habanje
Poliuretan je posebno poznat po svojoj otpornosti na abrazivno habanje.
Pravilno formuliran poliuretan može nadmašiti mnoge konvencionalne elastomere u aplikacijama koje uključuju klizanje, kotrljanje, uticaj, ili ponovljeni kontakt.
Ova karakteristika čini poliuretan privlačnim za industrijski valjci, Komponente transportnih transportera, nosite obloge, brtve, točkovi, čahure, i komponente rudarske opreme.
Međutim, Otpornost na habanje nije univerzalno svojstvo svih vrsta poliuretana. Hemija poliola, tvrdoća, gustina umreženosti, temperatura, materijal za kontraface, podmazivanje, i mehanizam habanja može uticati na stvarni vijek trajanja.
Elastičnost i elastičnost
Fleksibilni mekani segmenti poliuretana omogućavaju značajnu reverzibilnu deformaciju. Ovo mnogim poliuretanskim elastomerima daje odličnu otpornost i karakteristike povrata energije.
Otpornost je posebno važna kod komponenti koje su izložene stalnoj kompresiji ili udaru.
Na primjer, poliuretanski kotači i valjci moraju se deformirati pod opterećenjem, dok se dovoljno brzo oporavljaju svoj oblik da ograniče trajnu deformaciju i stvaranje topline.
Ravnoteža između elastičnosti i histereze je stoga važno razmatranje u dinamičkim primjenama.
Otpornost na hemikalije
Poliuretan općenito pruža dobru otpornost na ulja, masti, goriva, i mnoge industrijske hemikalije, iako učinak značajno varira između formulacija.
Poliuretan na bazi polietera često pruža bolju otpornost na hidrolizu, dok sistemi na bazi poliestera mogu ponuditi prednosti u određenim mehaničkim i hemijskim okruženjima.
Prema tome, hemijsku kompatibilnost treba proceniti u odnosu na specifične hemikalije, koncentracija, temperatura, vrijeme izloženosti, i stanje mehaničkog opterećenja umjesto da se oslanjamo na generičku izjavu da je poliuretan hemijski otporan.
Termička svojstva
Raspon upotrebljivih temperatura poliuretana uvelike ovisi o njegovoj kemiji i fizičkoj strukturi.
Mnogi konvencionalni poliuretanski elastomeri djeluju efikasno u širokom rasponu umjerenih temperatura, dok su specijalizirane formulacije dizajnirane za rad na povišenim ili niskim temperaturama.
Na dovoljno visokim temperaturama, Pokretljivost polimernog lanca se povećava, a mehanička svojstva opadaju. Na niskim temperaturama, neke formulacije postaju znatno čvršće i manje fleksibilne.
Kruta poliuretanska pjena je također cijenjena zbog svoje niske toplinske provodljivosti i stoga se široko koristi za toplinsku izolaciju.
Otpornost na vodu i hidrolizu
Otpornost na hidrolizu je posebno važna na otvorenom, marine, hidraulički, i vlažne sredine.
Poliuretan na bazi polietera općenito nudi bolju otpornost na hidrolitičku degradaciju od konvencionalnog poliuretana na bazi poliestera.
Međutim, poliester poliuretan može pružiti izvrsna mehanička svojstva i svojstva habanja u odgovarajućim okruženjima.
Za dugotrajno izlaganje vodi, Pri odabiru materijala treba uzeti u obzir ne samo vodu već i temperaturu, ph, mikroorganizmi, Mehanički stres, i trajanje ekspozicije.
Električna svojstva
Mnoge poliuretanske formulacije pružaju korisne karakteristike električne izolacije, uključujući relativno visoku električnu otpornost i dielektričnu čvrstoću.
Ova svojstva podržavaju aplikacije kao što su omoti kablova, električna inkapsulacija, Zaštitni premazi, i elektronske komponente.
Ipak, električne performanse se mogu mijenjati s temperaturom, vlaga, frekvencija, formulacija, i sadržaj punila.
5. Tvrdoća poliuretana
Tvrdoća je jedno od najčešće specificiranih svojstava poliuretana, posebno za elastomere, valjci, točkovi, brtve, brtve, Zaštitni premazi, i komponente otporne na habanje.
Međutim, tvrdoću poliuretana ne treba tumačiti jednostavno kao mjeru ukupne čvrstoće materijala.
U poliuretanskom inženjerstvu, tvrdoća prvenstveno opisuje materijal otpornost na lokaliziranu deformaciju pod određenim uvjetima ispitivanja udubljenja.
Šta znači tvrdoća poliuretana?
Kada se na poliuretansku površinu primjenjuje sila, materijal se deformiše oko indentera.
Tvrđi poliuretan pokazuje manje udubljenja pod specificiranim uslovima ispitivanja, dok mekši sloj podliježe većoj lokaliziranoj deformaciji.
Jer poliuretan može biti u rasponu od vrlo mekih elastomera do krutih inženjerskih materijala, različite skale tvrdoće se koriste za različite opsege tvrdoće.
Za fleksibilni i elastomerni poliuretan, tvrdoća se obično mjeri pomoću Skala tvrdoće po Shoreu.
Shore A općenito se koristi za mekši do umjereno tvrdi poliuretan, dok Shore D koristi se za teže formulacije.
Odabranu skalu uvijek treba navesti zajedno sa vrijednošću tvrdoće jer, na primjer, 80 Obala A i 80 Obala D predstavlja veoma različite materijalne uslove.
Uobičajeni rasponi tvrdoće poliuretana
| Raspon tvrdoće | Tipične karakteristike | Tipične performanse | Reprezentativne aplikacije |
| 20–40 Shore A | Veoma mekan i veoma fleksibilan | Visoka usklađenost, nizak modul, odlična amortizacija i apsorpcija vibracija | Meke brtve, brtve, jastuci, komponente za prigušivanje zvuka |
| 40–60 Shore A | Meke do srednje tvrdoće | Dobra elastičnost, otpornost, i fleksibilnost uz umjerenu nosivost | Fleksibilni točkovi, čahure, izolatori vibracija, komponente obuće |
| 60–80 Shore A | Srednje tvrdi elastomer | Dobar balans fleksibilnosti, Nosiva kapacitet, i otpornost na abraziju | Valjci, točkovi, čahure, Komponente transportnih transportera |
80–95 Shore A |
Tvrdi elastomer | Veća krutost, nosivost, i otpornost na habanje sa smanjenom fleksibilnošću | Industrijski valjci, točkovi za teška opterećenja, Nosite jastučiće, komponente visokog opterećenja |
| 50–80 Shore D | Veoma tvrd poliuretan | Visoka krutost i stabilnost dimenzija sa jakom otpornošću na udarce i habanje | Zupčanici, kamere, komponente vodiča, Strukturni dijelovi, komponente otporne na habanje |
Ovi rasponi su reprezentativne, a ne univerzalne specifikacije.
Komercijalne poliuretanske formulacije mogu se proširiti izvan ovih raspona, a odnos između tvrdoće i mehaničkih performansi zavisi od hemije polimera, gustina umreženosti, sadržaj punila, temperatura, i metoda testiranja.
6. Procesi proizvodnje poliuretana
Poliuretan se može proizvesti kroz nekoliko tehnologija obrade, a odgovarajuća metoda zavisi od hemije poliuretana, geometrija proizvoda, potrebna tvrdoća, gustina, Volumen proizvodnje, Dimenzionalna tolerancija, i performanse krajnje upotrebe.
Reakciono brizganje (RIM)
Reakciono injekcijsko prešanje je visokoproduktivan proces u kojem se dvije ili više tekućih poliuretanskih komponenti – obično izocijanat i poliolna formulacija – točno odmjeravaju, mješovito, i ubrizgan u zatvoreni kalup.
Hemijska reakcija se odvija brzo unutar kalupa, gdje materijal ispunjava šupljinu i nakon toga očvršćava u traženi oblik.
RIM je posebno pogodan za velike komponente jer relativno nizak viskozitet reakcionog sistema omogućava punjenje složenih kalupa uz relativno niske pritiske ubrizgavanja.
Materijali za ojačanje ili punila također se mogu ugraditi u specijalizirane formulacije radi poboljšanja krutosti, Stabilnost dimenzija, ili otpornost na udarce.
Proizvodi:
Tipični RIM proizvodi uključuju paneli karoserije automobila, odbojnici, spojleri, kućišta opreme, strukturni poklopci, industrijska kućišta, i velike lagane livene komponente.
Liveni poliuretan
Liveni poliuretan se proizvodi miješanjem reaktivnih poliuretanskih komponenti i izlivanjem tečne smjese u pripremljeni kalup.
Materijal se zatim stvrdnjava na sobnoj temperaturi ili pod kontroliranim zagrijavanjem, zavisno od formulacije.
Ovaj proces pruža značajnu fleksibilnost u formulaciji materijala.
Proizvođači mogu prilagoditi tvrdoću, elastičnost, otpornost na kidanje, Otpornost na abraziju, karakteristike prigušenja, i hemijsku otpornost odabirom odgovarajućih poliola, izocijanata, produzači lanca, katalizatori, i aditivi.
Liveni poliuretan je posebno vrijedan za proizvode koji zahtijevaju Visoka otpornost na habanje, apsorpcija uticaja, elastičnost, ili prilagođenu tvrdoću.
Otplinjavanje se može izvesti prije livenja kako bi se smanjio zarobljeni zrak i unutrašnje šupljine, posebno za precizne komponente.
Proizvodi:
Uobičajeni proizvodi uključuju industrijski valjci, točkovi, čahure, brtve, brtve, Nosite jastučiće, oštrice strugača, izolatori vibracija, amortizeri, rudarske komponente, i prilagođene poliuretanske obloge.
Kompresioniranje
Kompresijsko oblikovanje koristi izmjerenu količinu poliuretanskog materijala koji se stavlja u zagrijanu šupljinu kalupa.
Kalup se zatim zatvara i vrši se pritisak, omogućavajući materijalu da teče, uskladiti sa šupljinom, i stvrdnjavati pod kontroliranom temperaturom i pritiskom.
Proces se obično koristi za termoreaktivne poliuretanske sisteme i elastomerne spojeve.
Pravilna kontrola temperature kalupa, pritisak, vreme sušenja, a materijalno punjenje je bitno jer nedovoljno očvršćavanje može smanjiti mehaničke performanse, dok prekomjerna temperatura ili vrijeme očvršćavanja mogu utjecati na konačna svojstva materijala.
Kompresijsko oblikovanje je posebno efikasno za relativno jednostavne ili umjereno složene geometrije i može pružiti dobru konzistenciju dimenzija u srednjem- do proizvodnje velike količine.
Proizvodi:
Tipični proizvodi uključuju Prstenovi za brtvljenje, brtve, jastučići, odbojnici, komponente za prigušivanje vibracija, Nošenje ploča, zaštitni poklopci, i oblikovani dijelovi od poliuretanskog elastomera.
Injekciono prešanje termoplastičnog poliuretana (TPU)
Termoplastični poliuretan se može obraditi konvencionalnim termoplastom brizganje oprema.
Za razliku od termoreaktivnog poliuretana, TPU se može više puta omekšati zagrijavanjem i učvrstiti hlađenjem, omogućavajući da se otopi i ubrizga u kalup bez trajne kemijske reakcije umrežavanja.
Tokom obrade, precizna kontrola Temperatura topline, pritisak ubrizgavanja, temperatura kalupa, uslovi sušenja, i brzina hlađenja je važno.
TPU je higroskopan do različitog stepena, a prekomjerna vlaga u peletima može uzrokovati hidrolitičku degradaciju, Površinski nedostaci, mjehurići, ili smanjena mehanička svojstva. Pravilno prethodno sušenje je stoga važan dio TPU brizganja.
Proizvodi:
TPU injekcijsko prešanje se široko koristi za zaštitnim koferima, fleksibilni konektori, brtve, kablovske komponente, točkovi, hvataljke, komponente potrošačkih proizvoda, automobilske dijelove, medicinske komponente, i industrijski dijelovi otporni na habanje.
Ekstruzija
Ekstruzija poliuretana prvenstveno se koristi za proizvodnju kontinuiranih profila, cijevi, filmovi, listovi, i drugi proizvodi sa konstantnom geometrijom poprečnog presjeka.
Termoplastične poliuretanske pelete se zagrijavaju i plastificiraju u ekstruderu prije nego što se kontinuirano probijaju kroz posebno dizajniranu matricu.
Proces ekstruzije zahtijeva pažljivu kontrolu temperatura bureta, brzina zavrtnja, temperatura matrice, brzina ekstruzije, uslovi hlađenja, i vlažnost materijala.
Dizajn matrice je posebno važan jer viskoelastično ponašanje poliuretana može utjecati na stabilnost dimenzija i nabubriti kalup..
Proizvodi:
Tipični ekstrudirani proizvodi uključuju TPU cijevi, creva, brtve, brtve, trake, filmovi, Profili, omoti kablova, zaštitni rukavi, i fleksibilne membrane.
Reakciono livenje i centrifugalno livenje
Za određene velike ili rotacijsko simetrične poliuretanske komponente, mogu se koristiti reakcijsko livenje i centrifugalno livenje.
U reakcijskom livenju, reaktivne poliuretanske komponente se unose u kalup i ostavljaju da se polimeriziraju i očvrsnu na licu mjesta.
Centrifugalno livenje koristi rotirajuću silu za distribuciju reaktivnog materijala na zid kalupa, proizvodeći relativno ujednačenu cevastu ili prstenastu komponentu.
Ovi procesi su posebno korisni kada bi konvencionalno oblikovanje zahtijevalo skupe alate ili kada komponenta ima veliki promjer i relativno jednostavnu geometriju rotacije.
Proizvodi:
Aplikacije uključuju veliki poliuretanski valjci, rukavi, cijevi, prstenovi, obloge, premazi za cijevi, i specijalizovane cilindrične komponente otporne na habanje.
Pjenjenje i oblikovanje pjene
Poliuretanske pjene se proizvode kombinacijom reaktivnih poliuretanskih komponenti sa sistemom puhanja koji stvara ćelijsku strukturu tokom polimerizacije.
U zavisnosti od formulacije, mehanizam duvanja može uključivati hemijska sredstva za upuhivanje, kao što je reakcija vode sa izocijanatom kako bi se stvorio ugljični dioksid, ili fizička sredstva za napuhavanje.
Formulacija određuje da li je nastala pjena fleksibilan, polukrut, ili krut.
Veličina ćelije, gustina, otvoren- ili struktura zatvorenih ćelija, i dimenziona stabilnost se kontrolišu kroz ravnotežu poliola, izocijanata, katalizatori, surfaktanti, sredstva za napuhavanje, i uslove obrade.
Proizvodi:
Fleksibilna poliuretanska pjena se obično koristi za jastuci za sedenje, madraci, akustični materijali, i automobilski enterijer,
dok se krute PU i PIR pjene naširoko koriste za građevinske izolacione ploče, rashladna izolacija, sistemi toplotne izolacije, i energetski efikasnu opremu.
CNC obrada poliuretana
CNC obrada nije primarni proces polimerizacije, ali je to važan sekundarni proizvodni metod za poliuretanske komponente.
Blok od poliuretana, list, rod, ili prefabrikovani blank može se obraditi pomoću CNC struganja, glodanje, bušenje, i druge operacije za postizanje preciznih dimenzija i složenih geometrija.
Zato što je poliuretan fleksibilan i može se deformirati pod silama rezanja, parametri obrade moraju biti odabrani prema tvrdoći i elastičnosti materijala.
Prekomjerna sila rezanja, Generacija toplote, ili otklon alata može dovesti do netočnosti dimenzija ili lošeg kvaliteta površine. Oštri alati za rezanje i odgovarajuće držanje su posebno važni za meke vrste.
Proizvodi:
CNC obrada se obično koristi za precizne poliuretanske brtve, prilagođene čahure, habajuće komponente, valjci, Prototipovi, inženjerski dijelovi, zamjenske komponente, i male količine prilagođenih proizvoda.
7. Primjena poliuretana
Izuzetna svestranost poliuretana omogućava mu da služi kao konstrukcijski materijal, elastomer, premaz, ljepilo, zaptivač, pjena, i izolacioni materijal.
Stoga se njegove primjene protežu od potrošačkih proizvoda do zahtjevne industrijske opreme.
Automobilska industrija
Tipične primjene uključuju jastuke za sjedišta, nasloni za glavu, čahure za vešanje, Motor montira, brtve, komponente upravljanja, unutrašnja oprema, komponente instrument table, Zaštitni premazi, i zvučnu izolaciju.
Industrijski valjci i kotači
Poliuretanski valjci se široko koriste u:
- Transportni sistemi
- Oprema za rukovanje materijalom
- Štamparske mašine
- Mašine za pakovanje
- Tekstilne mašine
- Točkovi za viljuškare
- Vodeći valjci
- Pogonski točkovi
Brtve, Brtve, i čaure
Kombinacija elastičnosti poliuretana, otpornost na kidanje, i otpornost na habanje čini ga pogodnim za primjene dinamičkog zaptivanja.
PU brtve i hidraulične komponente se obično koriste tamo gdje materijal doživljava ponovljeno klizanje, pritisak, i mehaničke deformacije.
Čaure i prigušni elementi također imaju koristi od sposobnosti poliuretana da apsorbira vibracije uz održavanje strukturalnog integriteta.
Rudarska i teška oprema
Oprema za rudarstvo i građevinarstvo izlaže polimerne komponente jakom habanju, uticaj, prašina, vlaga, i mehaničko opterećenje.
Poliuretan se stoga koristi za nosite obloge, ekranske ploče, chute liners, oštrice strugača, valjci, hidraulične brtve, i zaštitne komponente.
U abrazivnim sredinama, pravilno formulirana poliuretanska komponenta može značajno smanjiti učestalost održavanja u usporedbi s elastomerima manje otpornim na habanje.
Građevinski i građevinski materijali
Poliuretan igra važnu ulogu u modernim građevinskim sistemima.
Čvrste poliuretanske i poliizocijanuratne pjene pružaju nisku toplinsku provodljivost i široko se koriste u izolovane ploče, rashladni sistemi, omotači zgrade, krovova, zidovi, i izolaciju cijevi.
Poliuretanski zaptivači i premazi se takođe koriste za zaptivanje spojeva, hidroizolacija, podovi, Zaštitni premazi, i betonsku zaštitu.
Električni i elektronski proizvodi
PU materijali mogu pružiti električnu izolaciju zajedno sa fleksibilnošću i zaštitom okoliša.
Koriste se za omoti kablova, smjese za zalivanje, materijali za inkapsulaciju, Konektori, Zaštitni premazi, i komponente za prigušivanje vibracija.
Formulacije mogu biti dizajnirane tako da obezbede specifične kombinacije dielektričnih svojstava, Otpornost na vlagu, fleksibilnost, i otpornost na plamen.
Obuća i proizvodi široke potrošnje
Fleksibilni poliuretan i TPU se široko koriste u potrošačkim proizvodima jer nude povoljnu kombinaciju udobnosti, otpornost, trajnost, i fleksibilnost dizajna.
Aplikacije uključuju potplati za cipele, komponente sportske obuće, zaštitnim koferima, hvataljke, točkovi, Sportska oprema, komponente prtljaga, i fleksibilni dijelovi potrošačkih proizvoda.
8. Prednosti poliuretana
- Podešavanje performansi bez premca — tvrdoća, gustina i mehanička svojstva mogu se precizno konstruirati u izuzetno širokom rasponu od jedne hemijske baze.
- Izuzetna otpornost na habanje i habanje — poliuretanski elastomeri rutinski isporučuju 3-10 puta duži vijek trajanja gumenih alternativa u aplikacijama koje su izložene velikom habanju.
- Vrhunska toplotna izolacija — kruta PU pjena je termički najefikasniji komercijalno dostupan organski izolacijski materijal, smanjenje potrošnje energije zgrade za 30-50%.
- Široka prilagodljivost obrade — može se proizvesti putem pjene, livenje, prskanje, brizganje, metode ekstruzije i primjene na licu mjesta.
- Univerzalna adhezija podloge — premazi i ljepila se čvrsto vezuju za metal, drvo, beton, staklo i većina plastike.
- Odlična prigušivanje vibracija — fleksibilne pene i elastomeri efikasno apsorbuju udarce i buku, što ih čini nezamjenjivim za automobilsku i industrijsku NVH kontrolu.
- Sloboda dizajna — tečna obrada omogućava proizvodnju krupn, kompleks, integrirani dijelovi koji bi bili nemogući s gumom ili krutom plastikom.
9. Ograničenja poliuretana
- Umjerena temperaturna otpornost — standardni tipovi imaju granice neprekidnog rada od 80-120°C. Dugotrajno izlaganje iznad ovog raspona uzrokuje termičku degradaciju i trajni gubitak imovine.
- Osetljivost na hidrolizu — poliuretani na bazi poliestera postepeno se razgrađuju u dugotrajnoj vrućini, vlažne sredine. Vrste polietera imaju bolje rezultate, ali i dalje imaju ograničenja.
- UV degradacija aromatičnih kvaliteta — standardni aromatični poliuretani žuti i kreda pod produženim izlaganjem UV zračenju. Alifatski razredi to rješavaju, ali uz znatno veću cijenu.
- Opasnosti pri rukovanju sirovinama — neizreagirani izocijanatni monomeri su respiratorni iritanti i zahtijevaju odgovarajuću ventilaciju i OZO tokom obrade. Potpuno osušeni proizvodi sigurni su za normalnu krajnju upotrebu.
- Zapaljivost — nemodificirani poliuretan je zapaljiv i može ispuštati otrovne pare tokom sagorijevanja. Formulacije otporne na plamen potrebne su za primjenu u građevinarstvu i transportu.
- Izazovi reciklaže — umreženi termoreaktivni poliuretan se ne može pretopiti, otežava mehaničku reciklažu. Tehnologije hemijskog recikliranja se pojavljuju, ali još nisu univerzalno dostupne.
10. Razmatranja okoliša i održivosti
| Aspekt | Procjena |
| Obnovljivi izvori | Biološki polioli su sve dostupniji, dobiveni iz biljnih ulja ili biljnih izvora. |
| Reciklabilnost | Termoplastični poliuretani (TPU) se mogu reciklirati; termosetovi (krute pjene, mnogo elastomera) nisu. |
| Potrošnja energije | Proizvodnja poliuretana iz petrokemije je energetski intenzivna. |
| Procjena životnog ciklusa | Zavisi od formulacije i primjene; izolacija (kruta pjena) može obezbediti značajne uštede energije. |
| Kraj života | Otpad od pjene je teško reciklirati; spaljivanje je uobičajen način odlaganja. |
| Zdravlje i sigurnost | Izocijanati su toksični; pravilna ventilacija i LZO su neophodni tokom rukovanja. |
| Biorazgradljivost | Konvencionalni poliuretan nije biorazgradiv. |
11. Poliuretan vs. Guma i konvencionalna plastika
Poliuretan zauzima karakterističnu poziciju između elastomera i inženjerske plastike.
Sljedeće poređenje naglašava glavne razlike između poliuretana i nekoliko najčešće korištenih materijala.
| Nekretnina | Poliuretanski | Prirodna guma | Polietilen (PE) | Najlon |
| Tip materijala | Svestrani polimer; dostupan kao elastomer, termoplastični, termoset, i pjena | Prirodni elastomer | Thermoplastic | Inženjerski termoplast |
| Tipična tvrdoća | Otprilike 20 Obala A do 70+ Shore D, zavisno od formulacije | Otprilike 20–90 Shore A | Tipično Shore D opseg za krute nagibe | Obično Rockwell ili Shore D; generalno krut |
| Zatezna čvrstoća | Uobičajene klase elastomera približno 20-60 MPa; zavisno od formulacije | Približno 15–30 MPa za mnoge komercijalne klase | Približno 10–40 MPa, zavisan od razreda | Približno 50–100 MPa za mnoge inženjerske klase |
| Izduženje na pauzi | Obično 200–700% za elastomerne vrste | Obično 400–800% | Obično 100–1000% u zavisnosti od razreda | Generalno mnogo niže od elastomernog poliuretana |
| Otpornost na abraziju | Odličan; jedna od glavnih prednosti poliuretana | Dobro do odlično | Umjeren do dobro | Dobro |
| Otpornost na trganje | Vrlo dobro do odlično | Odličan | Umjeren | Dobro |
| Elastic Recovery | Odličan u pravilno formulisanim elastomerima | Odličan | Generalno niže od elastomera | Relativno ograničen |
Otpornost na udarce |
Vrlo dobar; ostaje vrlo efikasan u mnogim zahtjevnim aplikacijama | Odličan | Dobro, posebno u PE klasama dizajniranim za otpornost na udarce | Dobro do odlično |
| Otpornost na ulja i masti | Generalno vrlo dobro, posebno sa odgovarajućim poliesterom- ili formulacije na bazi polietera | Relativno siromašan; ulja mogu uzrokovati oticanje i propadanje | Općenito dobro protiv mnogih hemikalija, ali otpornost na rastvarače varira | Dobro, iako određene hemikalije i vlaga mogu uticati na performanse |
| Otpornost na hemikalije | Od dobrog do odličnog u zavisnosti od hemije; poliester i polieter PU se ponašaju različito | Ograničeno protiv ulja, goriva, ozona, i neke hemikalije | Odlična otpornost na mnoge kiseline, Alkalis, i vodene hemikalije | Dobra otpornost na mnoge ugljovodonike i ulja, ali je osjetljiv na određene kiseline i vlagu |
| Otpornost na vlagu | Zavisna od formulacije; polieter PU generalno ima bolje rezultate u vlažnim okruženjima | Dobar u mnogim aplikacijama, ali osjetljiv na starenje okoline | Vrlo dobar | Apsorpcija vlage može biti značajna i može uticati na dimenzije i mehanička svojstva |
Weathering / UV otpornost |
Dobro do odlično uz odgovarajuću stabilizaciju; alifatski PU nudi posebno jaku UV otpornost | Ograničen; ozon i UV zraka mogu ubrzati razgradnju | Općenito dobro, posebno sa UV stabilizatorima | Umjeren; UV stabilizatori mogu biti potrebni za upotrebu na otvorenom |
| Otpornost na temperaturu | Širok raspon, ali u velikoj mjeri ovisi o formulaciji; mnogi tipovi rade od temperatura ispod nule do približno 80-120°C kontinuirano | Uobičajeno efikasan na približno -50 do 80°C, ovisno o spoju | Širok raspon; zavisan od razreda | Općenito veća temperaturna sposobnost kontinuirane upotrebe od elastomernog PU |
| Fleksibilnost na niskim temperaturama | Dobro do odlično za pravilno formulirane ocjene | Odličan | Dobro za odgovarajuće niskotemperaturne klase | Generalno niže od fleksibilnog poliuretana i gume |
| Apsorpcija vode | Generalno nisko, ali značajno varira s hemijom i ćelijskom strukturom | Nizak do umjeren | Vrlo nizak | Relativno visoka u poređenju sa PU i PE |
| Nosivost | Odličan za elastomere; klase visokih performansi mogu izdržati značajna tlačna i dinamička opterećenja | Dobro, ali dugotrajna deformacija može biti značajna | Dobro za strukturalne termoplastične primjene | Odličan za krute inženjerske komponente |
Otpornost na umora |
Odličan u mnogim dinamičkim aplikacijama | Odlično pod odgovarajućim cikličnim opterećenjem | Dobro | Dobro |
| Metode obrade | Livenje, reakcijsko brizganje, brizganje, ekstruzija, Kompresioniranje, pjenjenje, obrada | Obrada lateksa, oblikovanje, ekstruzija, vulkanizacija | Obriši ubrizgavanje, ekstruzija, puhanje, rotacijsko oblikovanje | Obriši ubrizgavanje, ekstruzija, obrada |
| Tipične aplikacije | Točkovi, valjci, brtve, čahure, brtve, izolatori vibracija, premazi, pojasevi, pjene, zupčanici | Gume, brtve, rukavice, vibracioni nosači, creva, elastične komponente | Pakovanje, cijevi, Kontejneri, obloge, filmovi, konstrukcijski plastični dijelovi | Zupčanici, ležajevi, čahure, Strukturne komponente, električni dijelovi |
| Glavna prednost | Izuzetna kombinacija od Otpornost na abraziju, elastičnost, žilavost, nosivost, i fleksibilnost dizajna | Odlična elastičnost, Otpornost na umora, i otpornost | Niska cijena, Kemijska otpornost, niska apsorpcija vlage | Visoka čvrstoća, ukočenost, Stabilnost dimenzija, i temperaturnu sposobnost |
| Glavno ograničenje | Svojstva se značajno razlikuju u zavisnosti od formulacije; neke vrste su osjetljive na hidrolizu, toplovati, ili UV ekspozicija | Slaba otpornost na ulja, ozona, i neke hemikalije | Niže temperature i mehaničke performanse od mnogih inženjerskih polimera | Apsorpcija vlage i osjetljivost na određene kemikalije mogu utjecati na performanse |
12. Zaključak
Poliuretan zauzima jedinstvenu poziciju u svijetu materijala kao najfleksibilnija polimerna platforma danas dostupna.
Njegova mikrofazno odvojena molekularna struktura omogućava podešavanje performansi u cijelom spektru od meke pjene do krute inženjerske plastike, podržava kritične funkcije u gotovo svakom industrijskom sektoru.
Nijedna druga pojedinačna porodica materijala ne može istovremeno služiti kao jastuk, izolacija, strukturna komponenta i zaštitni premaz sa jednakom efikasnošću.
Kao globalna potražnja za energetskom efikasnošću, raste lagani i napredni materijali, poliuretan će ostati temeljni industrijski materijal - razvijajući se od svog porijekla na bazi nafte ka održivijem, budućnost cirkularne ekonomije uz zadržavanje izuzetne svestranosti koja ga je učinila nezamjenjivim za modernu proizvodnju i građevinarstvo.
FAQs
Je poliuretanska plastika ili guma?
Poliuretan spada u kategoriju između gume i plastike. Mekani poliuretanski elastomeri se ponašaju slično kao guma, dok se tvrdi poliuretanski slojevi približavaju tehničkim performansama plastike.
Za razliku od prave gume, nije umrežen vulkanizacijom; za razliku od prave plastike, vrlo je elastičan u većini svog raspona tvrdoće. Najpreciznije se klasifikuje kao elastomerni polimer.
Da li je poliuretan zapaljiv?
Neke formulacije su zapaljive. Usporivači plamena se obično dodaju za aplikacije koje zahtijevaju otpornost na vatru.
Čvrsta poliuretanska pjena, koristi se u građevinskoj izolaciji, moraju ispunjavati stroge standarde zaštite od požara.
Koja je razlika između polietera i poliester poliuretana?
Polieter poliuretan ima bolju otpornost na hidrolizu, otpornost na mikrobi, i fleksibilnost pri niskim temperaturama.
Poliester poliuretan ima veću vlačnu čvrstoću, sušiti, i otpornost na abraziju, ali je podložan hidrolizi i napadu mikroba.
Šta je TPU?
TPU je skraćenica za termoplastični poliuretan. To je vrsta poliuretana koji se može obraditi poput konvencionalne plastike (brizganje, ekstruzija) i može se reciklirati.
Koristi se u crevima, cijev, filmovi, obuća, i mnoge industrijske primjene.
Kako se pravi poliuretanska pjena?
Poliuretanska pjena se proizvodi reakcijom izocijanata s poliolom u prisustvu agensa za napuhivanje (obično voda), katalizatori, i surfaktanti.
Reakcija proizvodi plin CO₂, koji ekspandira polimer u pjenu.
