Poliuretan, obično skraćeno kao PU ili PUR, je svestrana klasa polimera nastalih reakcijom spojeva koji sadrže izocijanatne skupine s poliolima ili drugim molekulama koje sadrže aktivne vodikove skupine.
Za razliku od mnogih konvencionalnih plastika koje se povezuju s relativno uskim rasponom svojstava, poliuretan se može proizvesti u iznimno širokom spektru - od mekog, fleksibilne pjene i elastomeri do krute strukturne pjene, premaz, ljepila, brtvila, i tvrde inženjerske komponente.
Ova svestranost prvenstveno dolazi od poliuretana segmentirana molekularna struktura i sposobnost modificiranja njegove kemije, gustoća umrežavanja, struktura stanice, i uvjetima obrade.
Odabirom različitih poliola, izocijanati, produžači lanca, katalizatori, sredstva za napuhavanje, i aditivi, proizvođači mogu prilagoditi poliuretan zahtjevima kao što je amortizacija, otpor abrazije, toplinska izolacija, kemijska otpornost, fleksibilnost, apsorpcija utjecaja, i dimenzijska stabilnost.
Ovaj članak ispituje što je poliuretan od oba perspektiva znanosti o materijalima i proizvodnje, uključujući njegovu kemijsku strukturu, glavne vrste, svojstva, Metode proizvodnje, prednosti, ograničenja, i inženjerske primjene.
1. Što je poliuretan?
Poliuretan je polimer koji sadrži značajan broj uretanske veze, tipično predstavljena kemijskom strukturom:
–NH–CO–O–
Ove uretanske skupine obično se stvaraju reakcijom između izocijanatnih skupina (– dočasnik) i hidroksilnu skupinu (-OH):
R–DOČASNIK + R′–OH → R–NH–CO–O–R′
Ova reakcija temeljna je kemija iza proizvodnje poliuretana.
Međutim, komercijalni poliuretanski materijali rijetko se sastoje samo od jednostavnih ponavljajućih uretanskih jedinica.
Njihove molekularne strukture također mogu sadržavati eter, ester, urea, karbonat, aromatičan, alifatski, ili druge funkcionalne skupine, ovisno o odabranim sirovinama.
Zbog toga dva proizvoda, oba opisana kao "poliuretan", mogu imati dramatično različita svojstva.
Na primjer, fleksibilna poliuretanska pjena koja se koristi u namještaju može biti meka i vrlo elastična, dok poliuretanski elastomer koji se koristi za industrijske valjke može imati visoku tvrdoću, zatečna čvrstoća, i otpor abrazije.
Čvrsta poliuretanska pjena koja se koristi u rashladnoj opremi, u međuvremenu, primarno je projektiran za nisku toplinsku vodljivost i dimenzijsku stabilnost.
Termoseaktivni i termoplastični poliuretani
Poliuretanski materijali mogu se općenito podijeliti prema njihovoj molekularnoj arhitekturi i obradi.
Termoseaktivni poliuretan razvija trajno umreženu mrežu tijekom stvrdnjavanja.
Nakon što se dovoljno izliječi, ne može se jednostavno rastopiti i preoblikovati bez izazivanja kemijske degradacije.
Mnogi lijevani elastomeri, premaz, ljepila, i kruti poliuretanski sustavi 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 toplinske obrade.
TPU kombinira mnoge karakteristike elastomera s metodama termoplastične obrade kao što su injekcijsko prešanje i ekstruzija.
Razlika je važna jer izravno utječe na proizvodnju, Reciklalnost, popravljivost, i performanse krajnje upotrebe.
Glavne karakteristike poliuretana
Iako se formulacije poliuretana znatno razlikuju, mnogi poliuretanski materijali pokazuju korisnu kombinaciju mehaničkih i kemijskih 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 kemikalije
- Izvrsno prianjanje na mnoge podloge
- Dobar otpor umora
- Široka fleksibilnost obrade
- Dobra toplinska izolacija u ćelijskim oblicima
- Sposobnost proizvodnje i fleksibilnih i krutih struktura
Točna učinkovitost uvelike ovisi o formulaciji.
Na primjer, poliuretan je često vrlo otporan na abraziju, ali otpornost na hidrolizu, UV zračenje, grijati, ili specifičnih kemikalija značajno varira između različitih kemijskih sastava poliuretana.
Stoga, odabir materijala uvijek se treba temeljiti na specifična poliuretanska formulacija i radno okruženje, nego na generičkom pojmu "PU".
2. Kemijski sastav i molekularna struktura poliuretana
Poliuretan (Pu) nije jedan kemijski spoj već široka obitelj polimera čija se svojstva mogu prilagoditi odabirom i udjelom različitih kemijskih sastavnih dijelova.
Temeljna poliuretanska reakcija događa se između izocijanatne skupine (– dočasnik) i hidroksilne skupine (-OH), stvarajući uretanske veze.
Promjenom molekularne strukture, funkcionalnost, molekularna težina, i omjer reaktanata, proizvođači mogu proizvoditi materijale u rasponu od fleksibilnih pjena i elastomera do krutih pjena, premaz, ljepila, i inženjerske komponente visoke čvrstoće.
Temeljni kemijski građevni blokovi
Dvije glavne obitelji reaktanata su izocijanati i polioli.
Ostale komponente, uključujući produživače lanca, sredstva za umrežavanje, katalizatori, sredstva za napuhavanje, surfaktanti, i aditivi za izvedbu, uvode se kada specifične mehaničke, toplinski, obrada, ili su potrebne karakteristike okoline.
| Kategorija komponente | Primarna funkcija | Uobičajeni primjeri |
| Izocijanati | Osigurajte reaktivne dočasničke skupine i doprinesite teškim segmentima, jačina, krutost, i kemijska otpornost | MDI, TDI, HDI, IPDI |
| Polioli | Formiraju meke segmente i snažno utječu na fleksibilnost, elastičnost, otpornost na hidrolizu, i ponašanje pri niskim temperaturama | Polieter polioli, poliesterski polioli, polikarbonatni polioli |
| Produživači lanca | Povećajte sadržaj tvrdih segmenata i regulirajte molekularnu težinu, tvrdoća, zatečna čvrstoća, i fazna struktura | 1,4-Butandiol (BDO), etilen glikol, diamini |
| Sredstva za umrežavanje | Uvedite trodimenzionalne mrežne strukture i povećajte krutost, dimenzijska stabilnost, i otpornost na toplinu | trimetilolpropan (TMP), multifunkcionalni polioli |
Katalizatori |
Kontrolirajte brzinu reakcije i utječite na ravnotežu između konkurentskih reakcija poliuretana | Tercijarni amini, organometalni katalizatori |
| Sredstva za napuhavanje | Generirajte plin i stvorite staničnu strukturu poliuretanskih pjena | Voda, pentan, Co₂, odabrana fizička sredstva za napuhavanje |
| Površinski aktivni tvari | Stabilizirajte razvoj pjene i kontrolirajte veličinu ćelija, jednoličnost, i morfologija | Surfaktanti na bazi silikona |
| Aditivi | Izmijenite specifične karakteristike izvedbe 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
Poliuretan je višestrana obitelj polimera nego jedan materijal s fiksnim svojstvima.
Promjenom izocijanata, poliol, produživač lanca, gustoća umrežavanja, sustav za puhanje, i uvjetima obrade, proizvođači mogu proizvoditi poliuretanske materijale u rasponu od mekih i vrlo fleksibilnih pjena do krutih strukturnih polimera i elastomera visokih performansi.
Fleksibilna poliuretanska pjena
Fleksibilnu poliuretansku pjenu karakterizira struktura otvorenih ćelija, relativno niske gustoće, i visoka otpornost.
Proizvodi se kombiniranjem poliola i izocijanata sa sredstvima za napuhavanje i drugim dodacima pod kontroliranim uvjetima pjenjenja.
Njegova međusobno povezana stanična struktura omogućuje materijalu da se više puta komprimira i obnavlja.
Gustoća pjene, veličina ćelije, tvrdoća, elastičnost, a set kompresije može se prilagoditi kroz formulaciju i obradu.
Tipične aplikacije uključuju:
- Jastuci za namještaj i madrace
- Automobilska sjedala i komponente interijera
- Proizvodi za kontrolu zvuka i vibracija
- Ambalažni i zaštitni materijali
- Fleksibilne brtve i elementi za ublažavanje
Za aplikacije amortizacije, gustoća, tvrdoća udubljenja, elastičnost, i kompresijski set često su važniji od same vlačne čvrstoće.
Čvrsta poliuretanska pjena
Tvrda poliuretanska pjena ima pretežno strukturu zatvorenih ćelija i dizajnirana je za visoku krutost, dimenzijska stabilnost, i toplinska izolacija.
Njegova niska toplinska vodljivost prvenstveno je posljedica stanične strukture i plina sadržanog u stanicama.
Ovisno o formulaciji i procesu proizvodnje, kruti PU i PIR sustavi mogu pružiti izvrsnu izolacijsku izvedbu pri relativno niskoj gustoći.
Uobičajene primjene uključuju izolaciju zgrada, rashladna oprema, ploče za hlađenje, izolirane cijevi, i izolacija uređaja.
Tipična formulacija krute pjene mora uravnotežiti nekoliko svojstava istovremeno:
| Vlasništvo | Važnost |
| Gustoća | Utječe na snagu, dimenzijska stabilnost, i toplinske performanse |
| Sadržaj zatvorene ćelije | Važan za izolaciju i otpornost na vlagu |
| Tlačna čvrstoća | Određuje sposobnost nosivosti |
| Toplinska vodljivost | Kritično za aplikacije energetske učinkovitosti |
| Dimenzijska stabilnost | Kontrolira dugoročne performanse pod temperaturnim promjenama |
| Izvedba zapaljivosti | Važan za primjenu u građevinarstvu i transportu |
Poliuretanski elastomeri
Poliuretanski elastomeri zauzimaju važno mjesto između konvencionalne gume i krute inženjerske plastike.
Oni mogu kombinirati relativno visoku vlačnu čvrstoću i otpornost na abraziju sa značajnom elastičnom deformacijom.
Dostupni su kao termoplastični poliuretan (TPU), lijevani poliuretanski elastomeri, i duroplastični sustavi.
Poliuretanski elastomeri posebno su cijenjeni za primjene koje uključuju ponavljana mehanička opterećenja, utjecaj, trenje, odnosno abrazije.
Kotači, valjka, pečate, brtve, čahure, Komponente transportnih tragova, a industrijski potrošni dijelovi uobičajeni su primjeri.
Njihova izvedba snažno ovisi o sadržaju tvrdog segmenta i molekularnoj arhitekturi.
Povećanje koncentracije tvrdih segmenata općenito povećava tvrdoću i modul, dok odgovarajuća kemija mekih segmenata održava elastičnost i istezanje.
Termoplastični poliuretan (TPU)
TPU je termoplastični oblik poliuretana koji se može opetovano omekšati zagrijavanjem i obraditi konvencionalnim tehnologijama proizvodnje termoplasta.
Za razliku od visoko umreženog termoreaktivnog poliuretana, TPU se prvenstveno oslanja na fizičke interakcije i segmentiranu morfologiju polimera za postizanje svojih mehaničkih svojstava.
To ga čini pogodnim za injekcijsko prešanje, istiskivanje, puhanje, i drugi kontinuirani procesi proizvodnje.
TPU se može formulirati u širokom rasponu tvrdoće, tipično od vrlo mekih elastomernih razreda do relativno krutih inženjerskih razreda.
Tipične aplikacije uključuju:
- Plašti i zaštitne obloge kabela
- Automobilske komponente
- Industrijska crijeva i cijevi
- Brtve i fleksibilne spojnice
- Komponente obuće
- Kućišta potrošačkih proizvoda i zaštitni dijelovi
Lijevani poliuretan
Lijevani poliuretan proizvodi se miješanjem reaktivnih komponenti i izlijevanjem formulacije u kalup, gdje se odvija polimerizacija i stvrdnjavanje.
Ovaj proces je posebno koristan za proizvodnju velikih ili prilagođenih elastomernih komponenti koje bi bilo teško ili neekonomično proizvesti konvencionalnom termoplastičnom preradom.
Lijevani poliuretan može se formulirati za različite kombinacije tvrdoće, elastičnost, otpornost na trganje, otpor abrazije, i kemijska otpornost.
Industrijski valjci, oštrice strugača, nositi obloge, pečate, čahure, a komponente otporne na udarce tipične su primjene.
Poliuretanski premazi, Ljepila, i brtvila
Poliuretan se također naširoko koristi kao funkcionalna površina ili vezni materijal, a ne kao skupna strukturna komponenta.
Poliuretanski premazi može pružiti otpornost na habanje, kemijska otpornost, otpornost na vremenske uvjete, fleksibilnost, i atraktivne završne obrade površina. Koriste se na metalima, plastika, drvo, betonski, i druge podloge.
Poliuretanska ljepila mogu stvoriti jake veze između različitih materijala i koriste se u automobilskoj industriji, konstrukcija, obuća, namještaj, i industrijsko sklapanje.
Poliuretanska brtvila kombinirati adheziju s elastičnom deformacijom, omogućujući zglobovima da se prilagode pokretima uzrokovanim toplinskim širenjem, vibracija, ili mehanički pomak.
4. Ključna svojstva poliuretana
Poliuretan (Pu) ističe se neobično širokim rasponom mehaničkih, toplinski, kemijski, i fizička svojstva.
Za razliku od metala ili mnogih konvencionalnih termoplasta, poliuretan je obitelj materijala čija se izvedba može opsežno modificirati odabirom izocijanatni tip, kemija poliola, hard-segment content, gustoća umrežavanja, aditivi, gustoća, i staničnu strukturu.
Stoga, ne postoji jedan skup mehaničkih svojstava koji predstavlja sve poliuretanske proizvode.
Fleksibilni polieterski elastomer, čvrsta izolacijska pjena, i lijevani poliuretan visoke tvrdoće može se kemijski klasificirati kao poliuretan dok pokazuje potpuno različite karakteristike performansi.
Sljedeće vrijednosti stoga treba tretirati kao reprezentativni inženjerski rasponi ili primjeri, a ne univerzalne specifikacije.
Konačni odabir materijala uvijek bi se trebao temeljiti na testiranoj podatkovnoj tablici proizvođača prema relevantnom ASTM, ISO, ili EN standard.
Mehanička svojstva
| Vlasništvo | Tipični inženjerski raspon / Primjer | Glavni kontrolni čimbenici |
| Gustoća – čvrsti elastomer | ~1,1–1,3 g/cm³ | Kemija polimera, punila |
| Gustoća – tvrda PU pjena | ~30–45 kg/m³ za mnoge izolacijske proizvode | Sustav za puhanje, formulacija, struktura stanice |
| Zatečna čvrstoća | ~15–50+ MPa za mnoge elastomere | Tvrdoća, molekularna struktura, umrežavanje |
| Produženje | ~300–700% za mnoge savitljive elastomere | Kemija mekog segmenta i gustoća umrežavanja |
Tvrdoća |
~45 Obala A do 70 Obala D+ | Sadržaj teškog segmenta, umrežavanje |
| Toplinska vodljivost – elastomer | ~0,15–0,25 W/(m · k), ovisan o razredu | Gustoća i formulacija |
| Toplinska vodljivost – čvrsta pjena | ~0,020–0,030 W/(m · k) | Građa stanice, plin, gustoća, starenje |
| Volumni otpor | Može doseći ~10¹³ Ω·cm u odgovarajućim stupnjevima | Formulacija, vlaga, temperatura |
| Dugotrajna radna temperatura | Uobičajeni stupnjevi otprilike od -30 do +80°C; specijalizirani razredi viši | Kemija i formulacija polimera |
Abrazija i otpornost na habanje
Poliuretan je posebno poznat po svojoj otpornosti na abrazivno trošenje.
Ispravno formuliran poliuretan može nadmašiti mnoge konvencionalne elastomere u primjenama koje uključuju klizanje, kotrljanje, utjecaj, ili ponovljeni kontakt.
Ova karakteristika čini poliuretan atraktivnim za industrijski valjci, Komponente transportnih tragova, nositi obloge, pečate, kotači, čahure, i komponente rudarske opreme.
Međutim, otpornost na habanje nije univerzalno svojstvo svih vrsta poliuretana. Kemija poliola, tvrdoća, gustoća umrežavanja, temperatura, kontrafazni materijal, podmazivanje, i mehanizam trošenja mogu utjecati na stvarni vijek trajanja.
Elastičnost i otpornost
Fleksibilni mekani segmenti poliuretana dopuštaju značajnu reverzibilnu deformaciju. To mnogim poliuretanskim elastomerima daje izvrsnu otpornost i karakteristike povrata energije.
Otpornost je osobito važna u komponentama koje su podvrgnute opetovanoj kompresiji ili udarcima.
Na primjer, poliuretanski kotači i valjci moraju se deformirati pod opterećenjem dok se dovoljno brzo vraćaju u oblik kako bi se ograničila trajna deformacija i stvaranje topline.
Ravnoteža između elastičnosti i histereze stoga je važno razmatranje u dinamičkim primjenama.
Kemijska otpornost
Poliuretan općenito pruža dobru otpornost na ulja, masti, goriva, i mnoge industrijske kemikalije, iako izvedba značajno varira između formulacija.
Poliuretan na bazi polietera često pruža bolju otpornost na hidrolizu, dok sustavi na bazi poliestera mogu ponuditi prednosti u određenim mehaničkim i kemijskim okruženjima.
Kemijsku kompatibilnost stoga treba procijeniti u odnosu na specifična kemikalija, koncentracija, temperatura, trajanje izlaganja, i stanje mehaničkog opterećenja nego se oslanjati na generičku izjavu da je poliuretan kemijski otporan.
Toplinska svojstva
Raspon upotrebljive temperature poliuretana uvelike ovisi o njegovoj kemiji i fizičkoj strukturi.
Mnogi konvencionalni poliuretanski elastomeri učinkovito rade u širokom rasponu umjerenih temperatura, dok su specijalizirane formulacije dizajnirane za rad na povišenim ili niskim temperaturama.
Na dovoljno visokim temperaturama, povećava se pokretljivost polimernog lanca, a opadaju mehanička svojstva. Na niskim temperaturama, neke formulacije postaju znatno kruće i manje fleksibilne.
Tvrda poliuretanska pjena također je cijenjena zbog niske toplinske vodljivosti i stoga se široko koristi za toplinsku izolaciju.
Otpornost na vodu i hidrolizu
Otpornost na hidrolizu posebno je važna na otvorenom, morski, hidraulički, i vlažna okruženja.
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 trošenja u odgovarajućim okruženjima.
Za dugotrajno izlaganje vodi, odabir materijala treba uzeti u obzir ne samo vodu, već i temperaturu, pH, mikroorganizmi, mehanički stres, i trajanje izloženosti.
Električna svojstva
Mnoge poliuretanske formulacije pružaju korisne karakteristike električne izolacije, uključujući relativno visok električni otpor i dielektričnu čvrstoću.
Ova svojstva podržavaju aplikacije kao što su omotači kabela, električna enkapsulacija, zaštitni premazi, i elektroničke komponente.
Ipak, električna izvedba može se mijenjati s temperaturom, vlažnost, frekvencija, formulacija, i sadržaj punila.
5. Tvrdoća poliuretana
Tvrdoća je jedno od najčešće specificiranih svojstava poliuretana, posebno za elastomere, valjka, kotači, pečate, brtve, zaštitni premazi, i komponente otporne na habanje.
Međutim, Tvrdoću poliuretana ne treba tumačiti samo kao mjeru ukupne čvrstoće materijala.
U inženjerstvu poliuretana, tvrdoća prvenstveno opisuje materijal otpornost na lokaliziranu deformaciju pod određenim uvjetima ispitivanja utiskivanjem.
Što znači tvrdoća poliuretana?
Kada se sila primijeni na poliuretansku površinu, materijal se deformira oko utiskivača.
Tvrđi poliuretan pokazuje manje udubljenja pod navedenim uvjetima ispitivanja, dok je mekši stupanj podvrgnut većoj lokaliziranoj deformaciji.
Jer poliuretan može biti u rasponu od vrlo mekanih elastomera do krutih inženjerskih materijala, različite ljestvice tvrdoće koriste se za različite raspone tvrdoće.
Za fleksibilan i elastomerni poliuretan, tvrdoća se obično mjeri pomoću Skala tvrdoće po Shoru.
obala A općenito se koristi za mekši do umjereno tvrdi poliuretan, dok Shore D koristi se za tvrđe formulacije.
Odabranu ljestvicu treba uvijek navesti zajedno s vrijednošću tvrdoće jer, na primjer, 80 Obala A i 80 Shore D predstavljaju vrlo različite materijalne uvjete.
Uobičajeni rasponi tvrdoće poliuretana
| Raspon tvrdoće | Typical Characteristics | Tipična izvedba | Reprezentativne prijave |
| 20–40 Shore A | Vrlo mekan i vrlo fleksibilan | Visoka usklađenost, nizak modul, izvrsna amortizacija i apsorpcija vibracija | Meke brtve, brtve, jastuci, komponente akustičnog prigušivanja |
| 40–60 Shore A | Meke do srednje tvrdoće | Dobra elastičnost, elastičnost, i fleksibilnost s umjerenom nosivošću | Fleksibilni kotači, čahure, izolatori vibracija, komponente obuće |
| 60–80 Shore A | Elastomer srednje tvrdoće | Dobar balans fleksibilnosti, kapacitet, i otpor abrazije | Valjka, kotači, čahure, Komponente transportnih tragova |
80–95 Shore A |
Tvrdi elastomer | Veća krutost, nosivost, i otpornost na trošenje sa smanjenom fleksibilnošću | Industrijski valjci, kotači za teške uvjete, nositi jastučiće, komponente visokog opterećenja |
| 50–80 Shore D | Vrlo tvrdi poliuretan | Visoka krutost i dimenzijska stabilnost s jakom otpornošću na udarce i habanje | Zupčanici, crijeva, 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 svojstava ovisi o kemiji polimera, gustoća umrežavanja, sadržaj punila, temperatura, i metoda ispitivanja.
6. Procesi proizvodnje poliuretana
Poliuretan se može proizvesti pomoću nekoliko tehnologija obrade, a odgovarajuća metoda ovisi o kemiji poliuretana, geometrija proizvoda, potrebna tvrdoća, gustoća, proizvodni volumen, dimenzijska tolerancija, i performanse krajnje upotrebe.
Reakcijsko injekcijsko prešanje (RIM)
Reakcijsko injekcijsko prešanje je visokoproduktivan proces u kojem se dvije ili više tekućih poliuretanskih komponenti—obično izocijanat i poliolna formulacija—točno doziraju, mješoviti, i ubrizgava u zatvoreni kalup.
Kemijska reakcija odvija se brzo unutar kalupa, gdje materijal ispunjava šupljinu i zatim se stvrdnjava u željeni oblik.
RIM je posebno prikladan za velike komponente jer relativno niska viskoznost reakcijskog sustava omogućuje punjenje složenih kalupa s relativno niskim tlakom ubrizgavanja.
Materijali za ojačanje ili punila također se mogu uključiti u specijalizirane formulacije za poboljšanje krutosti, dimenzijska stabilnost, ili otpornost na utjecaj.
Proizvodi:
Tipični RIM proizvodi uključuju paneli karoserije automobila, odbojnici, spojleri, kućišta opreme, strukturni poklopci, industrijskih kućišta, i velike lagane oblikovane komponente.
Lijevani poliuretan
Lijevani poliuretan proizvodi se miješanjem reaktivnih poliuretanskih komponenti i izlijevanjem tekuće smjese u pripremljeni kalup.
Materijal se zatim stvrdnjava na sobnoj temperaturi ili pod kontroliranim zagrijavanjem, ovisno o formulaciji.
Ovaj proces pruža značajnu fleksibilnost u formulaciji materijala.
Proizvođači mogu prilagoditi tvrdoću, elastičnost, otpornost na trganje, otpor abrazije, karakteristike prigušenja, i kemijska otpornost odabirom odgovarajućih poliola, izocijanati, produžači lanca, katalizatori, i aditivi.
Lijevani poliuretan posebno je vrijedan za proizvode koji zahtijevaju visoki otpor habanja, apsorpcija utjecaja, elastičnost, ili prilagođenu tvrdoću.
Otplinjavanje se može izvesti prije lijevanja kako bi se uhvaćeni zrak i unutarnje šupljine sveli na minimum, posebno za precizne komponente.
Proizvodi:
Uobičajeni proizvodi uključuju industrijski valjci, kotači, čahure, pečate, brtve, nositi jastučiće, oštrice strugača, izolatori vibracija, amortizeri, rudarske komponente, i prilagođene poliuretanske obloge.
Kompresija oblikovanje
Kompresijsko oblikovanje koristi izmjerenu količinu poliuretanskog materijala koji se stavlja u zagrijanu šupljinu kalupa.
Kalup se zatim zatvori i primijeni pritisak, dopuštajući protok materijala, uskladiti sa šupljinom, i stvrdnjavati pod kontroliranom temperaturom i pritiskom.
Proces se obično koristi za termoreaktivne poliuretanske sustave i elastomerne spojeve.
Ispravna kontrola temperature kalupa, pritisak, curing time, and material charge is essential because insufficient curing can reduce mechanical performance, while excessive temperature or curing time can affect the material’s final properties.
Compression molding is particularly effective for relatively simple or moderately complex geometries and can provide good dimensional consistency in medium- na proizvodnju velikog volumena.
Proizvodi:
Tipični proizvodi uključuju prstenovi za brtvljenje, brtve, pads, odbojnici, vibration-damping components, nositi tanjure, protective covers, and molded polyurethane elastomer parts.
Injekcijsko prešanje termoplastičnog poliuretana (TPU)
Thermoplastic polyurethane can be processed using conventional thermoplastic injekcijsko prešanje oprema.
Unlike thermosetting polyurethane, TPU can be repeatedly softened by heating and solidified by cooling, allowing it to be melted and injected into a mold without a permanent chemical crosslinking reaction.
During processing, precise control of temperatura otopljenja, tlak ubrizgavanja, temperatura kalupa, drying conditions, i brzina hlađenja je važan.
TPU is hygroscopic to varying degrees, a prekomjerna vlaga u peletama može izazvati hidrolitičku razgradnju, Površinski nedostaci, mjehurići, ili smanjena mehanička svojstva. Pravilno predsušenje stoga je važan dio TPU injekcijskog prešanja.
Proizvodi:
TPU injekcijsko prešanje naširoko se koristi za zaštitne futrole, savitljivi konektori, pečate, komponente kabela, kotači, hvataljkama, komponente potrošačkog proizvoda, automobilski dijelovi, medicinske komponente, i industrijski dijelovi otporni na habanje.
Istiskivanje
Ekstruzija poliuretana prvenstveno se koristi za izradu kontinuiranih profila, cijevi, filmovi, plahta, i drugi proizvodi s konstantnom geometrijom presjeka.
Termoplastične poliuretanske kuglice zagrijavaju se i plastificiraju u ekstruderu prije nego što se neprekidno tjeraju kroz posebno dizajniranu matricu.
Proces ekstruzije zahtijeva pažljivu kontrolu temperatura bačve, brzina vijka, temperatura matrice, brzina istiskivanja, uvjetima hlađenja, i vlažnost materijala.
Dizajn matrice je posebno važan jer viskoelastično ponašanje poliuretana može utjecati na stabilnost dimenzija i bubrenje matrice.
Proizvodi:
Tipični ekstrudirani proizvodi uključuju TPU cijevi, crijeva, pečate, brtve, trake, filmovi, profili, kabelski omotači, zaštitni rukavi, i fleksibilne membrane.
Reakcijsko i centrifugalno lijevanje
Za određene velike ili rotacijski simetrične poliuretanske komponente, može se koristiti reakcijsko i centrifugalno lijevanje.
U reakcijskom lijevanju, reaktivne poliuretanske komponente uvode se u kalup i ostavljaju da se polimeriziraju i stvrdnu na licu mjesta.
Centrifugalno lijevanje koristi rotacijsku silu za raspodjelu reaktivnog materijala na stijenku kalupa, proizvodeći relativno jednoliku cjevastu ili prstenastu komponentu.
Ovi su procesi osobito korisni kada bi konvencionalno oblikovanje zahtijevalo skupe alate ili kada komponenta ima veliki promjer i relativno jednostavnu rotacijsku geometriju.
Proizvodi:
Prijave uključuju veliki poliuretanski valjci, rukavi, cijevi, prstenovi, obloge, obloge cijevi, i specijalizirane cilindrične komponente otporne na habanje.
Pjenjenje i oblikovanje pjenom
Poliuretanske pjene proizvode se kombiniranjem reaktivnih poliuretanskih komponenti sa sustavom puhanja koji stvara staničnu strukturu tijekom polimerizacije.
Ovisno o formulaciji, mehanizam za puhanje može uključivati kemijska sredstva za puhanje, kao što je reakcija vode s izocijanatom za stvaranje ugljičnog dioksida, ili fizička sredstva za napuhavanje.
Formulacija određuje je li nastala pjena fleksibilan, polukruti, ili kruti.
Veličina ćelije, gustoća, otvoriti- ili struktura zatvorenih stanica, i dimenzionalna stabilnost kontroliraju se ravnotežom poliola, izocijanati, katalizatori, surfaktanti, sredstva za napuhavanje, i uvjetima obrade.
Proizvodi:
Fleksibilna poliuretanska pjena se obično koristi za jastuci za sjedenje, madraci, akustični materijali, i automobilske interijere,
dok se krute PU i PIR pjene široko koriste za građevinske izolacijske ploče, rashladna izolacija, sustavi toplinske izolacije, i energetski učinkovitu opremu.
CNC obrada poliuretana
CNC obrada nije primarni proces polimerizacije, ali to je važna sekundarna metoda proizvodnje za poliuretanske komponente.
Poliuretanski blok, list, štap, ili pre-cast blank može se strojno obraditi pomoću CNC tokarenja, mljevenje, bušenje, i druge operacije za postizanje preciznih dimenzija i složenih geometrija.
Budući da je poliuretan fleksibilan i može se deformirati pod silama rezanja, parametri obrade moraju se odabrati prema tvrdoći i elastičnosti materijala.
Pretjerana sila rezanja, stvaranje topline, ili otklon alata može rezultirati dimenzijskim netočnostima ili lošom kvalitetom površine. Oštri alati za rezanje i odgovarajući radni držač posebno su važni za meke slojeve.
Proizvodi:
CNC obrada se obično koristi za precizne poliuretanske brtve, prilagođene čahure, habajuće komponente, valjka, prototipovi, inženjerski dijelovi, zamjenske komponente, i prilagođene proizvode male količine.
7. Primjena poliuretana
Iznimna svestranost poliuretana omogućuje mu da služi kao konstrukcijski materijal, elastomer, premazivanje, ljepilo, brtvilo, pjena, i izolacijski materijal.
Stoga se njegova primjena proteže od potrošačkih proizvoda do zahtjevne industrijske opreme.
Automobilska industrija
Uobičajene primjene uključuju jastuke za sjedala, nasloni za glavu, čahure ovjesa, motorni nosači, pečate, komponente upravljanja, unutarnje obloge, komponente ploče s instrumentima, zaštitni premazi, i zvučnu izolaciju.
Industrijski valjci i kotači
Poliuretanski valjci naširoko se koriste u:
- Transportni sustavi
- Oprema za rukovanje materijalom
- Tiskarski strojevi
- Strojevi za pakiranje
- Tekstilni strojevi
- Kotači viličara
- Vodeći valjci
- Pogonski kotači
Pečate, Brtve, i čahure
Poliuretanska kombinacija elastičnosti, otpornost na trganje, a otpornost na habanje čini ga prikladnim za dinamičko brtvljenje.
PU brtve i hidrauličke komponente obično se koriste tamo gdje materijal ima iskustva opetovano klizanje, pritisak, i mehanička deformacija.
Čahure i elementi za prigušivanje također imaju koristi od sposobnosti poliuretana da apsorbira vibracije dok održava strukturni integritet.
Rudarska i teška oprema
Rudarska i građevinska oprema izlaže polimerne komponente jakoj abraziji, utjecaj, prah, vlaga, i mehaničko opterećenje.
Poliuretan se stoga koristi za nositi obloge, zaslonske ploče, obloge za padobran, oštrice strugača, valjka, hidrauličke brtve, i zaštitne komponente.
U abrazivnim sredinama, pravilno formulirana poliuretanska komponenta može značajno smanjiti učestalost održavanja u usporedbi s manje otpornim elastomerima.
Građevinski i građevinski materijal
Poliuretan ima važnu ulogu u modernim građevinskim sustavima.
Čvrste poliuretanske i poliizocijanuratne pjene pružaju nisku toplinsku vodljivost i naširoko se koriste u izolirane ploče, rashladni sustavi, ovojnice zgrada, krovovi, zidova, i izolacija cijevi.
Također se koriste poliuretanska brtvila i premazi brtvljenje spojeva, vodonepropusnost, pod, zaštitni premazi, i betonska zaštita.
Električni i elektronički proizvodi
PU materijali mogu pružiti električnu izolaciju zajedno s fleksibilnošću i zaštitom okoliša.
Koriste se za kabelski omotači, smjese za zalivanje, materijali za kapsuliranje, konektori, zaštitni premazi, i komponente za prigušivanje vibracija.
Formulacije se mogu dizajnirati da daju specifične kombinacije dielektričnih svojstava, otpornost na vlagu, fleksibilnost, i otpornost na plamen.
Obuća i proizvodi široke potrošnje
Fleksibilni poliuretan i TPU naširoko se koriste u potrošačkim proizvodima jer nude povoljnu kombinaciju udobnosti, elastičnost, izdržljivost, i fleksibilnost dizajna.
Prijave uključuju potplati cipela, dijelovi sportske obuće, zaštitne futrole, hvataljkama, kotači, sportska roba, komponente prtljage, i fleksibilne dijelove potrošačkih proizvoda.
8. Prednosti poliuretana
- Mogućnost podešavanja performansi bez premca — tvrdoća, gustoća i mehanička svojstva mogu se precizno projektirati u iznimno širokom rasponu iz jedne kemijske baze.
- Iznimna otpornost na habanje i habanje — poliuretanski elastomeri rutinski daju 3-10 puta duži radni vijek od gumenih alternativa u aplikacijama s teškim trošenjem.
- Vrhunska toplinska izolacija — kruta PU pjena je toplinski najučinkovitiji komercijalno dostupan organski izolacijski materijal, smanjenje potrošnje energije u zgradi za 30-50%.
- Široka prilagodljivost obrade — može se proizvesti pjenjenjem, lijevanje, prskanje, injekcijsko prešanje, metode ekstruzije i primjene na licu mjesta.
- Univerzalno prianjanje na podlogu — premazi i ljepila se čvrsto vežu za metal, drvo, betonski, stakla i većine plastike.
- Izvrsno prigušivanje vibracija — fleksibilne pjene i elastomeri učinkovito apsorbiraju udarce i buku, što ih čini nezamjenjivima za automobilsku i industrijsku NVH kontrolu.
- Dizajnirati slobodu — prerada tekućine omogućuje proizvodnju velikih, kompleks, integrirani dijelovi koji bi bili nemogući s gumom ili krutom plastikom.
9. Ograničenja poliuretana
- Otpornost na umjerenu temperaturu — standardni stupnjevi imaju trajne radne granice od 80–120°C. Dugotrajna izloženost iznad ovog raspona uzrokuje toplinsku degradaciju i trajni gubitak svojstva.
- Osjetljivost na hidrolizu — poliuretani na bazi poliestera postupno se razgrađuju u dugotrajnoj vrućini, vlažna okruženja. Vrste polietera rade bolje, ali još uvijek imaju ograničenja.
- UV razgradnja aromatičnih stupnjeva — standardni aromatski poliuretani žuti i kreda pod produženim UV izlaganjem. Alifatski stupnjevi to rješavaju, ali uz znatno veće troškove.
- Opasnosti pri rukovanju sirovinama — neizreagirani izocijanatni monomeri nadražuju dišni sustav i zahtijevaju odgovarajuću ventilaciju i OZO tijekom obrade. Potpuno stvrdnuti proizvodi sigurni su za normalnu krajnju upotrebu.
- Zapaljivost — nemodificirani poliuretan je zapaljiv i može ispuštati otrovne pare tijekom izgaranja. Formulacije koje usporavaju plamen potrebne su za primjenu u građevinarstvu i transportu.
- Izazovi recikliranja — umreženi termoreaktivni poliuretan ne može se pretopiti, otežava mehaničko recikliranje. Tehnologije kemijskog recikliranja se pojavljuju, ali još nisu univerzalno dostupne.
10. Razmatranja okoliša i održivosti
| Aspekt | Procjena |
| Obnovljivi izvori | Polioli na biološkoj bazi sve su dostupniji, dobivenih iz biljnih ulja ili biljnih izvora. |
| Reciklalnost | Termoplastični poliuretani (TPU) mogu se reciklirati; duroplasti (krute pjene, mnogo elastomera) nisu. |
| Potrošnja energije | Proizvodnja poliuretana iz petrokemikalija je energetski intenzivna. |
| Procjena životnog ciklusa | Ovisi o formulaciji i primjeni; izolacija (krutu pjenu) može osigurati značajne uštede energije. |
| Kraj životnog vijeka | Otpad pjene je teško reciklirati; spaljivanje je uobičajeni način zbrinjavanja. |
| Zdravlje i sigurnost | Izocijanati su otrovni; odgovarajuća ventilacija i osobna zaštitna oprema bitni su tijekom rukovanja. |
| Biorazgradivost | Konvencionalni poliuretan nije biorazgradiv. |
11. Poliuretan vs. Guma i konvencionalna plastika
Poliuretan zauzima izrazito mjesto između elastomera i inženjerske plastike.
Sljedeća usporedba naglašava glavne razlike između poliuretana i nekoliko često korištenih materijala.
| Vlasništvo | Poliuretan | Prirodna guma | Polietilen (PE) | Najlon |
| Vrsta materijala | Svestrani polimer; dostupan kao elastomer, termoplastični, duroplast, i pjena | Prirodni elastomer | Termoplastični | Inženjerska termoplastika |
| Tipična tvrdoća | Približno 20 Obala A do 70+ Shore D, ovisno o formulaciji | Otprilike 20–90 Shore A | Tipično Shore D raspon za krute stupnjeve | Obično Rockwell ili Shore D; općenito kruto |
| Zatečna čvrstoća | Uobičajeni stupnjevi elastomera približno 20–60 MPa; ovisno o formulaciji | Približno 15–30 MPa za mnoge komercijalne kvalitete | Približno 10–40 MPa, razreda | Približno 50–100 MPa za mnoge inženjerske stupnjeve |
| Izduženje na pauzi | Obično 200–700% za elastomerne kvalitete | Obično 400–800% | Obično 100–1000% ovisno o stupnju | Općenito mnogo niže od elastomernog poliuretana |
| Otpor abrazije | Izvrstan; jedna od glavnih prednosti poliuretana | Dobro do izvrsno | Umjereno do dobro | Dobro |
| Otpornost na suz | Vrlo dobro do izvrsno | Izvrstan | Umjeren | Dobro |
| Elastični oporavak | Izvrsno u pravilno formuliranim elastomerima | Izvrstan | Općenito niže od elastomera | Relativno ograničeno |
Otpor udara |
Vrlo dobar; ostaje vrlo učinkovit u mnogim zahtjevnim primjenama | Izvrstan | Dobro, posebno u PE klasama dizajniranim za otpornost na udarce | Dobro do izvrsno |
| Otpornost na ulja i masti | Općenito vrlo dobro, posebno s odgovarajućim poliesterom- ili formulacije na bazi polietera | Relativno siromašan; ulja mogu izazvati oticanje i kvarenje | Općenito dobar protiv mnogih kemikalija, ali otpornost na otapala varira | Dobro, iako određene kemikalije i vlaga mogu utjecati na učinkovitost |
| Kemijska otpornost | Dobar do odličan ovisno o kemiji; poliester i polieter PU ponašaju se drugačije | Ograničeno protiv ulja, goriva, ozon, i neke kemikalije | Izvrsna otpornost na mnoge kiseline, alkalija, i vodene kemikalije | Dobra otpornost na mnoge ugljikovodike i ulja, ali osjetljiv na određene kiseline i vlagu |
| Otpornost na vlagu | Ovisno o formulaciji; polieter PU općenito ima bolje rezultate u vlažnim okruženjima | Dobar u mnogim primjenama, ali osjetljiv na starenje u okolišu | Vrlo dobar | Apsorpcija vlage može biti značajna i može utjecati na dimenzije i mehanička svojstva |
Izlaganje vremenskim prilikama / UV otpornost |
Dobro do izvrsno s odgovarajućom stabilizacijom; alifatski PU nudi posebno jaku UV otpornost | Ograničen; ozon i UV mogu ubrzati razgradnju | Općenito dobro, posebno s UV stabilizatorima | Umjeren; Za rad na otvorenom mogu biti potrebni UV stabilizatori |
| Temperaturni otpor | Širok raspon, ali jako ovisi o formulaciji; mnogi stupnjevi rade od temperatura ispod ništice do otprilike 80–120°C neprekidno | Obično djelotvoran na približno -50 do 80°C, ovisno o spoju | Širok raspon; razreda | Općenito veća sposobnost kontinuirane temperature od elastomernog PU |
| Fleksibilnost na niskim temperaturama | Dobar do odličan za ispravno formulirane ocjene | Izvrstan | Dobar za prikladne niskotemperaturne stupnjeve | Općenito niže od fleksibilnog poliuretana i gume |
| Apsorpcija vode | Općenito nizak, ali značajno varira s kemijom i staničnom strukturom | Nisko do umjeren | Vrlo nizak | Relativno visoka u usporedbi s PU i PE |
| Nosivost | Izvrsno za elastomere; visokoučinkoviti stupnjevi mogu izdržati znatna tlačna i dinamička opterećenja | Dobro, ali dugotrajna deformacija može biti značajna | Dobar za strukturne termoplastične primjene | Izvrstan za krute inženjerske komponente |
Otpornost na umor |
Izvrstan u mnogim dinamičkim primjenama | Izvrsno pod odgovarajućim cikličkim opterećenjem | Dobro | Dobro |
| Metode obrade | Lijevanje, reakcijsko injekcijsko prešanje, injekcijsko prešanje, istiskivanje, kompresija oblikovanje, pjenjenje, obrada | Obrada lateksa, kalup, istiskivanje, vulkanizacija | Ubrizgavanje, istiskivanje, puhanje, rotacijsko kalupljenje | Ubrizgavanje, istiskivanje, obrada |
| Tipične primjene | Kotači, valjka, pečate, čahure, brtve, izolatori vibracija, premaz, pojasevi, pjeni se, zupčanici | Gume, pečate, rukavice, vibracijski nosači, crijeva, elastične komponente | Pakiranje, cijevi, spremnici, obloge, filmovi, konstrukcijski plastični dijelovi | Zupčanici, ležajevi, čahure, strukturne komponente, električni dijelovi |
| Glavna prednost | Izuzetna kombinacija otpor abrazije, elastičnost, žilavost, nosivost, i fleksibilnost dizajna | Izvrsna elastičnost, otpornost na umor, i otpornost | Nisko trošak, kemijska otpornost, niska apsorpcija vlage | Visoka snaga, ukočenost, dimenzijska stabilnost, i temperaturna sposobnost |
| Glavno ograničenje | Svojstva se znatno razlikuju ovisno o formulaciji; neke vrste su osjetljive na hidrolizu, grijati, ili UV izloženost | Slaba otpornost na ulja, ozon, i neke kemikalije | Niža temperatura i mehanička izvedba od mnogih inženjerskih polimera | Upijanje vlage i osjetljivost na određene kemikalije mogu utjecati na rad |
12. Zaključak
Poliuretan zauzima jedinstvenu poziciju u svijetu materijala kao dizajnerski najfleksibilnija polimerna platforma dostupna danas.
Njegova mikrofazno odvojena molekularna struktura omogućuje podešavanje performansi u cijelom spektru od meke pjene do krute inženjerske plastike, podržava kritične funkcije u gotovo svakom industrijskom sektoru.
Niti jedna druga obitelj materijala ne može istovremeno služiti kao amortizacija, izolacija, strukturna komponenta i zaštitni premaz s jednakom učinkovitošću.
Kao globalna potražnja za energetskom učinkovitošću, lagani i napredni materijali rastu, poliuretan će ostati temeljni industrijski materijal — razvijajući se od svojih izvora temeljenih na nafti prema održivijem, budućnost kružnog gospodarstva uz zadržavanje izvanredne svestranosti koja ga je učinila nezamjenjivim u modernoj proizvodnji i građevinarstvu.
Česta pitanja
Je poliuretanska plastika ili guma?
Poliuretan spada u kategoriju između gume i plastike. Mekani poliuretanski elastomeri ponašaju se poput gume, dok se vrste tvrdog poliuretana približavaju performansama inženjerske plastike.
Za razliku od prave gume, nije umrežen vulkanizacijom; za razliku od prave plastike, vrlo je elastičan u većem dijelu svog raspona tvrdoće. Najtočnije je klasificiran kao elastomerni polimer.
Je li poliuretan zapaljiv?
Neke formulacije su zapaljive. Usporivači plamena obično se dodaju za primjene koje zahtijevaju otpornost na vatru.
Čvrsta poliuretanska pjena, koristi se u izolaciji zgrada, mora zadovoljiti stroge standarde zaštite od požara.
Koja je razlika između polietera i poliester poliuretana?
Polieter poliuretan ima bolju otpornost na hidrolizu, otpornost mikroba, i fleksibilnost pri niskim temperaturama.
Poliester poliuretan ima veću vlačnu čvrstoću, suza, i otpornost na abraziju, ali je osjetljiva na hidrolizu i napad mikroba.
Što je TPU?
TPU je kratica za termoplastični poliuretan. To je vrsta poliuretana koja se može obrađivati kao i uobičajena plastika (injekcijsko prešanje, istiskivanje) i može se reciklirati.
Koristi se u crijevima, cijevi, filmovi, obuća, i mnoge industrijske primjene.
Kako se pravi poliuretanska pjena?
Poliuretanska pjena se proizvodi reakcijom izocijanata s poliolom u prisutnosti sredstva za ekspandiranje. (tipično voda), katalizatori, i površinski aktivne tvari.
Reakcija proizvodi plin CO₂, koji ekspandira polimer u pjenu.
