Полиуретан, обычно сокращается как ПУ или ПУР, представляет собой универсальный класс полимеров, образующихся в результате реакции соединений, содержащих изоцианатные группы, с полиолами или другими молекулами, содержащими группы активного водорода..
В отличие от многих обычных пластиков, которые обладают относительно узким диапазоном свойств., полиуретан может быть разработан в исключительно широком спектре - от мягких, от гибких пенопластов и эластомеров до жестких конструкционных пенопластов, покрытия, клеи, герметики, и сложные инженерные компоненты.
Эта универсальность обусловлена прежде всего полиуретаном. сегментированная молекулярная структура и способность изменять его химический состав, плотность сшивок, клеточная структура, и условия обработки.
Выбирая разные полиолы, изоцианаты, удлинители цепи, катализаторы, пенообразователи, и добавки, производители могут адаптировать полиуретан к таким требованиям, как амортизация, устойчивость к истиранию, теплоизоляция, химическая устойчивость, гибкость, Поглощение воздействия, и размерная стабильность.
В этой статье рассматривается, что такое полиуретан как из перспектива материаловедения и производства, включая его химическую структуру, основные типы, характеристики, Методы производства, преимущества, ограничения, и инженерные приложения.
1. Что такое полиуретан?
Полиуретан – полимер, содержащий значительное количество уретановые связи, обычно представлен химической структурой:
–NH–CO–O–
Эти уретановые группы обычно образуются в результате реакции между изоцианатной группой. (– унтер-офицер) и гидроксильная группа (-ОЙ):
Р–НКО + R’–OH → R–NH–CO–O–R’
Эта реакция является фундаментальной химией, лежащей в основе производства полиуретана..
Однако, Коммерческие полиуретановые материалы редко состоят только из простых повторяющихся уретановых звеньев..
Их молекулярные структуры могут также содержать эфир, эфир, мочевина, карбонат, ароматный, алифатический, или другие функциональные группы, в зависимости от выбранного сырья.
Вот почему два продукта, оба названные «полиуретан», могут иметь совершенно разные свойства..
Например, гибкий пенополиуретан, используемый в мебели, может быть мягким и очень эластичным, тогда как полиуретановый эластомер, используемый для промышленных роликов, может иметь высокую твердость., предел прочности, и устойчивость к истиранию.
Жесткий пенополиуретан, используемый в холодильном оборудовании., тем временем, в первую очередь разработан с учетом низкой теплопроводности и стабильности размеров..
Термореактивные и термопластичные полиуретаны
Полиуретановые материалы можно разделить в общих чертах в зависимости от их молекулярной архитектуры и особенностей обработки..
Термореактивный полиуретан во время отверждения образует постоянно сшитую сеть.
После достаточного излечения, его нельзя просто расплавить и изменить форму, не вызывая химического разложения..
Многие литые эластомеры, покрытия, клеи, и жесткие полиуретановые системы попадают в эту категорию..
Термопластичный полиуретан (TPU) содержит преимущественно линейные или физически связанные полимерные структуры и может быть размягчен при нагревании и многократно обработан в пределах окна термической обработки..
ТПУ сочетает в себе многие характеристики эластомеров с методами обработки термопластов, такими как литье под давлением и экструзия..
Это различие важно, поскольку оно напрямую влияет на производство., Переработка, ремонтопригодность, и эффективность конечного использования.
Основные характеристики полиуретана
Хотя составы полиуретанов значительно различаются, многие полиуретановые материалы обладают полезным сочетанием механических и химических свойств..
Типичные характеристики включают в себя:
- Высокая стойкость к истиранию и износу
- Хорошая эластичность и устойчивость
- Регулируемая жесткость
- Хорошая ударопрочность
- Хорошая стойкость к маслам и многим химикатам.
- Отличная адгезия ко многим основаниям
- Хорошая устойчивость к усталости
- Широкая гибкость обработки
- Хорошая теплоизоляция в сотовых формах
- Возможность изготовления как гибких, так и жестких конструкций.
Точная производительность сильно зависит от рецептуры..
Например, полиуретан часто обладает высокой устойчивостью к истиранию, но устойчивость к гидролизу, УФ-излучение, нагревать, или конкретные химические вещества значительно различаются в зависимости от химического состава полиуретана..
Поэтому, Выбор материала всегда должен основываться на конкретный состав полиуретана и рабочая среда, а не общий термин «ПУ».
2. Химический состав и молекулярная структура полиуретана
Полиуретан (ПУ) Это не отдельное химическое соединение, а обширное семейство полимеров, свойства которых можно регулировать путем выбора и соотношения различных химических строительных блоков..
Фундаментальная полиуретановая реакция происходит между изоцианатные группы (– унтер-офицер) и гидроксильные группы (-ОЙ), производство уретановых связей.
Изменяя молекулярную структуру, функциональность, молекулярная масса, и соотношение реагентов, производители могут производить материалы от гибких пенопластов и эластомеров до жестких пенопластов., покрытия, клеи, и высокопрочные инженерные компоненты.
Основные химические строительные блоки
Два основных семейства реагентов: изоцианаты и полиолы.
Другие компоненты, включая удлинители цепи, сшиватели, катализаторы, пенообразователи, поверхностно-активные вещества, и эксплуатационные добавки, вводятся, когда определенные механические, тепло, обработка, или характеристики окружающей среды..
| Категория компонента | Основная функция | Общие примеры |
| изоцианаты | Обеспечьте реактивные группы сержантов и внесите свой вклад в сложные сегменты., сила, жесткость, и химическая устойчивость | МДИ, ТДИ, ИЧР, ИПДИ |
| Полиолы | Формируют мягкие сегменты и сильно влияют на гибкость, эластичность, устойчивость к гидролизу, и низкотемпературное поведение | Полиэфирполиолы, полиэфирные полиолы, поликарбонатные полиолы |
| Удлинители цепей | Увеличение содержания твердых сегментов и регулирование молекулярной массы, твердость, предел прочности, и фазовая структура | 1,4-Бутандиол (БДО), этиленгликоль, диамины |
| сшиватели | Внедрить трехмерные сетевые структуры и повысить жесткость, размерная стабильность, и теплостойкость | Триметилолпропан (ТМП), многофункциональные полиолы |
Катализаторы |
Контролируйте скорость реакции и влияйте на баланс между конкурирующими реакциями полиуретана. | Третичные амины, металлорганические катализаторы |
| Пенообразователи | Генерация газа и создание ячеистой структуры пенополиуретанов. | Вода, пентан, Коэффициент, выбранные физические пенообразователи |
| Поверхностно -активные вещества | Стабилизируйте образующуюся пену и контролируйте размер ячеек., единообразие, и морфология | ПАВ на основе силикона |
| Добавки | Изменить конкретные эксплуатационные характеристики, такие как огнестойкость., УФ-стабильность, цвет, устойчивость к окислению, или поведение обработки | Огнезащитные средства, УФ-стабилизаторы, антиоксиданты, пигменты |
3. Основные типы полиуретана
Полиуретан — это универсальное семейство полимеров, а не отдельный материал с фиксированными свойствами..
Заменив изоцианат, полиол, удлинитель цепи, плотность сшивок, система продувки, и условия обработки, производители могут производить полиуретановые материалы: от мягких и очень гибких пенопластов до жестких конструкционных полимеров и высокоэффективных эластомеров..
Гибкая полиуретановая пена
Гибкий пенополиуретан имеет открытую ячеистую структуру., относительно низкая плотность, и высокая устойчивость.
Его производят путем объединения полиолов и изоцианатов с пенообразователями и другими добавками в условиях контролируемого пенообразования..
Его взаимосвязанная ячеистая структура позволяет материалу многократно сжиматься и восстанавливаться..
Плотность пены, размер ячейки, твердость, устойчивость, и набор сжатия можно регулировать посредством формулирования и обработки..
Типичные приложения включают:
- Набивка мебели и матрасов
- Автомобильные сиденья и компоненты интерьера
- Акустическая и виброзащитная продукция
- Упаковочные и защитные материалы
- Гибкие уплотнения и амортизирующие элементы
Для амортизирующих применений, плотность, твердость при вдавливании, устойчивость, и компрессионный набор часто более важны, чем просто прочность на растяжение.
Жесткая полиуретановая пена
Жесткий пенополиуретан имеет преимущественно закрытоячеистую структуру и рассчитан на высокую жесткость., размерная стабильность, и теплоизоляция.
Его низкая теплопроводность обусловлена прежде всего ячеистой структурой и газом, содержащимся внутри ячеек..
В зависимости от рецептуры и производственного процесса, Жесткие системы на основе ПУ и ПИР могут обеспечить превосходные изоляционные характеристики при относительно низкой плотности..
Общие области применения включают изоляцию зданий., холодильное оборудование, панели холодильных складов, изолированные трубы, и изоляция прибора.
Типичная рецептура жесткого пенопласта должна одновременно сочетать несколько свойств.:
| Свойство | Значение |
| Плотность | Влияет на силу, размерная стабильность, и тепловые характеристики |
| Содержание закрытых ячеек | Важен для изоляции и влагостойкости. |
| Прочность на сжатие | Определяет несущую способность |
| Теплопроводность | Критически важен для энергоэффективных приложений |
| Размерная стабильность | Контролирует долгосрочную производительность при изменении температуры |
| Характеристики воспламеняемости | Важно для строительства и транспорта. |
Полиуретановые эластомеры
Полиуретановые эластомеры занимают важное место между обычной резиной и жесткими конструкционными пластиками..
Они могут сочетать относительно высокую прочность на разрыв и стойкость к истиранию со значительной упругой деформацией..
Они доступны как термопластичный полиуретан (TPU), литые полиуретановые эластомеры, и термореактивные системы.
Полиуретановые эластомеры особенно ценятся для применений, связанных с повторяющимися механическими нагрузками., влияние, трение, или истирание.
Колеса, ролики, уплотнения, прокладки, втулки, Конвейерные компоненты, и промышленные изнашиваемые детали являются типичными примерами.
Their performance depends strongly on the hard-segment content and molecular architecture.
Increasing hard-segment concentration generally increases hardness and modulus, while appropriate soft-segment chemistry maintains elasticity and elongation.
Термопластичный полиуретан (TPU)
TPU is a thermoplastic form of polyurethane that can be repeatedly softened by heating and processed using conventional thermoplastic manufacturing technologies.
Unlike highly crosslinked thermoset polyurethane, TPU primarily relies on physical interactions and segmented polymer morphology to achieve its mechanical properties.
This makes it suitable for injection molding, экструзия, Взорвать, and other continuous manufacturing processes.
TPU can be formulated across a broad hardness range, typically from very soft elastomeric grades to relatively rigid engineering grades.
Типичные приложения включают:
- Кабельные оболочки и защитные покрытия
- Автомобильные компоненты
- Промышленные шланги и трубки
- Уплотнения и гибкие соединители
- Компоненты обуви
- Корпуса и защитные детали для потребительских товаров
Литой полиуретан
Литой полиуретан получают путем смешивания реактивных компонентов и заливки рецептуры в форму., где происходят полимеризация и отверждение.
Этот процесс особенно полезен для производства крупных или индивидуальных эластомерных компонентов, производство которых с помощью традиционной обработки термопластов было бы сложно или неэкономично..
Литой полиуретан может быть разработан для различных комбинаций твердости., эластичность, сопротивление разрыву, устойчивость к истиранию, и химическая устойчивость.
Промышленные ролики, лезвия скребка, носить вкладыши, уплотнения, втулки, и ударопрочные компоненты – типичные области применения.
Полиуретановые покрытия, Клеи, и герметики
Полиуретан также широко используется в качестве функционального поверхностного или связующего материала, а не в качестве объемного структурного компонента..
Полиуретановые покрытия может обеспечить стойкость к истиранию, химическая устойчивость, устойчивость к атмосферным воздействиям, гибкость, и привлекательная отделка поверхности. Их применяют на металлах., пластмассы, древесина, конкретный, и другие субстраты.
Полиуретановые клеи могут образовывать прочные связи между разнородными материалами и используются в автомобилестроении., строительство, обувь, мебель, и промышленная сборка.
Полиуретановые герметики сочетать адгезию с упругой деформацией, позволяя суставам компенсировать движение, вызванное тепловым расширением, вибрация, или механическое смещение.
4. Ключевые свойства полиуретана
Полиуретан (ПУ) отличается необычайно широким диапазоном механических, тепло, химический, и физические свойства.
В отличие от металлов или многих обычных термопластов, Полиуретан – это семейство материалов, характеристики которого можно значительно изменить путем выбора тип изоцианата, химия полиолов, жестко сегментированный контент, плотность сшивок, добавки, плотность, и клеточная структура.
Следовательно, не существует единого набора механических свойств, который характеризовал бы все полиуретановые изделия..
Гибкий полиэфирный эластомер., жесткая изоляционная пена, и литой полиуретан высокой твердости могут быть химически классифицированы как полиуретаны, демонстрируя при этом совершенно разные эксплуатационные характеристики..
Поэтому следующие значения следует рассматривать как репрезентативные технические диапазоны или примеры, а не универсальные спецификации.
Окончательный выбор материала всегда должен основываться на паспорте данных производителя, проверенном в соответствии с соответствующим стандартом ASTM., ИСО, или стандарт EN.
Механические свойства
| Свойство | Типичный инженерный диапазон / Пример | Основные контролирующие факторы |
| Плотность – твердый эластомер | ~1,1–1,3 г/см³ | Полимерная химия, наполнители |
| Плотность – жесткий пенополиуретан. | ~30–45 кг/м³ для многих изоляционных материалов. | Система обдува, формулировка, клеточная структура |
| Предел прочности | ~15–50+ МПа для многих эластомеров. | Твердость, молекулярная структура, сшивание |
| Удлинение | ~300–700% для многих гибких эластомеров. | Химический состав мягких сегментов и плотность сшивок |
Твердость |
~45 Шор А до 70 Берег Д+ | Жесткий сегмент контента, сшивание |
| Теплопроводность – эластомер | ~0,15–0,25 Вт/(м · к), Оценка | Плотность и состав |
| Теплопроводность – жесткий пенопласт | ~0,020–0,030 Вт/(м · к) | Клеточная структура, газ, плотность, старение |
| Объемное сопротивление | Может достигать ~10¹³ Ом·см в подходящих классах. | Формулировка, влага, температура |
| Температура длительной эксплуатации | Обычные сорта примерно от –30 до +80°C.; профильные разряды выше | Химия и рецептура полимеров |
Устойчивость к износу и износу
Полиуретан особенно известен своей устойчивостью к абразивному износу..
Правильно составленный полиуретан может превзойти многие традиционные эластомеры в приложениях, связанных со скольжением., прокатывание, влияние, или повторный контакт.
Эта характеристика делает полиуретан привлекательным для промышленные ролики, Конвейерные компоненты, носить вкладыши, уплотнения, колеса, втулки, и компоненты горного оборудования.
Однако, стойкость к истиранию не является универсальным свойством всех марок полиуретана.. Полиоловая химия, твердость, плотность сшивок, температура, материал контртела, смазка, и механизм износа могут влиять на фактический срок службы..
Эластичность и устойчивость
Гибкие мягкие сегменты из полиуретана допускают значительную обратимую деформацию.. Это придает многим полиуретановым эластомерам превосходные характеристики упругости и возврата энергии..
Упругость особенно важна для компонентов, подвергающихся многократному сжатию или ударам..
Например, полиуретановые колеса и ролики должны деформироваться под нагрузкой, восстанавливая при этом свою форму достаточно быстро, чтобы ограничить остаточную деформацию и выделение тепла..
Поэтому баланс между эластичностью и гистерезисом является важным фактором в динамических приложениях..
Химическая устойчивость
Полиуретан обычно обеспечивает хорошую устойчивость к маслам., смазки, топливо, и многие промышленные химикаты, хотя эффективность существенно различается в зависимости от состава.
Полиуретан на основе полиэфира часто обеспечивает лучшую стойкость к гидролизу., в то время как системы на основе полиэстера могут иметь преимущества в определенных механических и химических средах..
Поэтому химическую совместимость следует оценивать по конкретный химикат, концентрация, температура, время контакта, и условия механической нагрузки вместо того, чтобы полагаться на общее утверждение о том, что полиуретан химически стоек..
Тепловые свойства
Диапазон применимых температур полиуретана сильно зависит от его химического состава и физической структуры..
Многие традиционные полиуретановые эластомеры эффективно работают в широком диапазоне умеренных температур., в то время как специализированные составы предназначены для эксплуатации при повышенных или низких температурах..
При достаточно высоких температурах, подвижность полимерной цепи увеличивается, а механические свойства ухудшаются.. При низких температурах, некоторые составы становятся значительно более жесткими и менее гибкими.
Жесткий пенополиуретан также ценится за низкую теплопроводность и поэтому широко применяется для теплоизоляции..
Устойчивость к воде и гидролизу
Устойчивость к гидролизу особенно важна при использовании на открытом воздухе., морской пехотинец, гидравлический, и влажная среда.
Полиуретан на основе полиэфира обычно обеспечивает лучшую устойчивость к гидролитическому разложению, чем обычный полиуретан на основе полиэстера..
Однако, полиэфирный полиуретан может обеспечить превосходные механические и износостойкие свойства в подходящих условиях..
Для длительного воздействия воды, При выборе материала следует учитывать не только саму воду, но и температуру., pH, микроорганизмы, механическое напряжение, и продолжительность воздействия.
Электрические свойства
Многие полиуретановые составы обладают полезными электроизоляционными характеристиками., в том числе относительно высокое удельное электрическое сопротивление и диэлектрическая прочность.
Эти свойства поддерживают такие применения, как оболочки кабелей., электрическая герметизация, Защитные покрытия, и электронные компоненты.
Тем не менее, электрические характеристики могут меняться в зависимости от температуры, влажность, частота, формулировка, и наполнитель.
5. Полиуретан Твердость
Твердость является одним из наиболее часто определяемых свойств полиуретана., особенно для эластомеров, ролики, колеса, уплотнения, прокладки, Защитные покрытия, и износостойкие компоненты.
Однако, Твердость полиуретана не следует интерпретировать просто как меру общей прочности материала..
В полиуретановой технике, Твердость в первую очередь характеризует материал устойчивость к локализованной деформации при определенных условиях испытания на вдавливание.
Что означает твердость полиуретана?
При приложении силы к полиуретановой поверхности, материал деформируется вокруг индентора.
Более твердый полиуретан дает меньшие вмятины при определенных условиях испытаний., тогда как более мягкий сорт подвергается большей локализованной деформации.
Потому что полиуретан может варьироваться от очень мягких эластомеров до жестких конструкционных материалов., для разных диапазонов твердости используются разные шкалы твердости..
Для гибкого и эластомерного полиуретана, Твердость обычно измеряют с помощью Шкала твердости по Шору.
Берег А обычно используется для полиуретана от мягкого до умеренно твердого., пока Шор Д используется для более твердых составов.
Выбранную шкалу всегда следует сообщать вместе со значением твердости, поскольку, например, 80 Берег А и 80 Шор D представляет очень разные материальные условия..
Распространенные диапазоны твердости полиуретана
| Диапазон твердости | Типичные характеристики | Типичная производительность | Репрезентативные приложения |
| 20–40 Шор А | Очень мягкий и очень гибкий | Высокое соответствие, низкий модуль, отличная амортизация и поглощение вибрации | Мягкие уплотнения, прокладки, подушки, акустические демпфирующие компоненты |
| 40–60 Шор А | Мягкая и средней твердости | Хорошая эластичность, устойчивость, гибкость и умеренная грузоподъемность | Гибкие колеса, втулки, виброизоляторы, компоненты обуви |
| 60–80 Шор А | Эластомер средней твердости | Хороший баланс гибкости, грузоподъемность, и устойчивость к истиранию | Ролики, колеса, втулки, Конвейерные компоненты |
80–95 Шор А |
Твердый эластомер | Более высокая жесткость, грузоподъемность, и износостойкость при пониженной гибкости | Промышленные ролики, сверхмощные колеса, носить прокладки, высоконагруженные компоненты |
| 50–80 Шор Д | Очень твердый полиуретан | Высокая жесткость и стабильность размеров, высокая устойчивость к ударам и износу. | Передачи, камеры, направляющие компоненты, структурные части, износостойкие компоненты |
Эти диапазоны репрезентативные, а не универсальные спецификации.
Коммерческие полиуретановые составы могут выходить за пределы этих диапазонов., а взаимосвязь между твердостью и механическими характеристиками зависит от химического состава полимера., плотность сшивок, наполнитель, температура, и метод тестирования.
6. Процессы производства полиуретана
Полиуретан можно производить с помощью нескольких технологий обработки., и подходящий метод зависит от химического состава полиуретана., геометрия продукта, требуемая твердость, плотность, объем производства, Размерная толерантность, и эффективность конечного использования.
Реакционное литье под давлением (РИМ)
Реакционное литье под давлением — это высокопроизводительный процесс, в котором точно дозируются два или более жидких полиуретановых компонента — обычно изоцианат и полиол., смешанный, и впрыскивается в закрытую форму.
Химическая реакция происходит быстро внутри формы., где материал заполняет полость и впоследствии отверждается до необходимой формы.
RIM особенно подходит для крупных компонентов, поскольку относительно низкая вязкость реагирующей системы позволяет заполнять сложные формы при сравнительно низком давлении впрыска..
Армирующие материалы или наполнители также могут быть включены в специальные рецептуры для повышения жесткости., размерная стабильность, или воздействие сопротивления.
Продукты:
Типичные продукты RIM включают в себя автомобильные кузовные панели, бамперы, спойлеры, корпуса оборудования, структурные покрытия, промышленные корпуса, и большие легкие литые компоненты.
Литой полиуретан
Литой полиуретан получают путем смешивания реактивных полиуретановых компонентов и заливки жидкой смеси в подготовленную форму..
Затем материал отверждается при комнатной температуре или при контролируемом нагреве., в зависимости от формулировки.
Этот процесс обеспечивает значительную гибкость в рецептуре материалов..
Производители могут регулировать твердость., эластичность, сопротивление разрыву, устойчивость к истиранию, демпфирующие характеристики, и химическая стойкость за счет выбора подходящих полиолов., изоцианаты, удлинители цепи, катализаторы, и добавки.
Литой полиуретан особенно ценен для изделий, требующих устойчивость к износу, Поглощение воздействия, эластичность, или индивидуальная твердость.
Перед отливкой можно провести дегазацию, чтобы свести к минимуму количество захваченного воздуха и внутренних пустот., особенно для прецизионных компонентов.
Продукты:
Общие продукты включают в себя промышленные ролики, колеса, втулки, уплотнения, прокладки, носить прокладки, лезвия скребка, виброизоляторы, амортизаторы, горнодобывающие компоненты, и специальные полиуретановые вкладыши.
Сжатие литья
При компрессионном формовании используется определенное количество полиуретанового материала, помещаемого в нагретую полость формы..
Затем форму закрывают и прикладывают давление., позволяя материалу течь, соответствовать полости, и отверждать при контролируемой температуре и давлении.
Этот процесс обычно используется для термореактивных полиуретановых систем и эластомерных компаундов..
Правильный контроль температуры формы, давление, время отверждения, Загрузка материала имеет важное значение, поскольку недостаточное отверждение может снизить механические характеристики., в то время как чрезмерная температура или время отверждения могут повлиять на конечные свойства материала..
Компрессионное формование особенно эффективно для относительно простых или умеренно сложных геометрических форм и может обеспечить хорошую размерную стабильность в средних условиях.- к большому объему производства.
Продукты:
Типичные продукты включают в себя Запечатывание колец, прокладки, подушечки, бамперы, компоненты, гасящие вибрацию, носить тарелки, защитные чехлы, и формованные детали из полиуретанового эластомера.
Литье термопластичного полиуретана под давлением (TPU)
Термопластичный полиуретан можно перерабатывать с использованием обычного термопластика. Инъекционное формование оборудование.
В отличие от термореактивного полиуретана, ТПУ можно многократно размягчать при нагревании и затвердевать при охлаждении., позволяя плавить его и впрыскивать в форму без постоянной химической реакции сшивания.
Во время обработки, точный контроль над расплавлять температуру, давление впрыска, температура формы, условия сушки, и скорость охлаждения важно.
ТПУ в разной степени гигроскопичен., и чрезмерная влага в гранулах может вызвать гидролитическую деградацию., поверхностные дефекты, пузыри, или пониженные механические свойства. Поэтому правильная предварительная сушка является важной частью литья под давлением ТПУ..
Продукты:
Литье под давлением ТПУ широко используется для защитные чехлы, гибкие соединители, уплотнения, кабельные компоненты, колеса, захватывает, компоненты потребительского товара, автомобильные детали, медицинские компоненты, и износостойкие промышленные детали.
Экструзия
Экструзия полиуретана в основном используется для производства непрерывных профилей., трубки, Фильмы, простыни, и другие изделия с постоянной геометрией поперечного сечения.
Гранулы термопластичного полиуретана нагреваются и пластифицируются в экструдере, а затем непрерывно пропускаются через специально разработанную матрицу..
Процесс экструзии требует тщательного контроля температура ствола, скорость винта, температура матрицы, скорость экструзии, условия охлаждения, и влажность материала.
Конструкция матрицы особенно важна, поскольку вязкоупругое поведение полиуретана может влиять на стабильность размеров и разбухание матрицы..
Продукты:
Типичные экструдированные продукты включают в себя ТПУ трубки, шланги, уплотнения, прокладки, полосы, Фильмы, профили, кабельные оболочки, защитные рукава, и гибкие мембраны.
Реакционное литье и центробежное литье
Для некоторых крупных или вращательно-симметричных полиуретановых компонентов., можно использовать реакционное литье и центробежное литье..
В реакционном кастинге, реактивные полиуретановые компоненты вводятся в форму и полимеризуются и отверждаются на месте..
Центробежный кастинг использует вращательную силу для распределения реактивного материала по стенкам формы, производство относительно однородного трубчатого или кольцевого компонента.
Эти процессы особенно полезны, когда обычное формование требует дорогостоящих инструментов или когда деталь имеет большой диаметр и относительно простую геометрию вращения..
Продукты:
Приложения включают большие полиуретановые ролики, рукава, трубки, кольца, лайнеры, покрытия труб, и специализированные износостойкие цилиндрические компоненты.
Вспенивание и формование пенопласта
Пенополиуретаны производятся путем объединения реакционноспособных полиуретановых компонентов с системой выдувания, которая создает ячеистую структуру во время полимеризации..
В зависимости от формулировки, в механизме выдувания могут использоваться химические пенообразователи., например, вода, реагирующая с изоцианатом с образованием углекислого газа, или физические пенообразователи.
Состав определяет, является ли полученная пена гибкий, полужесткий, или жесткий.
Размер ячейки, плотность, открыть- или закрытоячеистая структура, и стабильность размеров контролируются за счет баланса полиолов., изоцианаты, катализаторы, поверхностно-активные вещества, пенообразователи, и условия обработки.
Продукты:
Гибкий пенополиуретан обычно используется для подушки для сидения, матрасы, акустические материалы, и автомобильные интерьеры,
в то время как жесткие пенополиуретаны и PIR широко используются для изоляционные панели для зданий, холодильная изоляция, системы теплоизоляции, и энергоэффективное оборудование.
Обработка полиуретана с ЧПУ
Обработка с ЧПУ не является процессом первичной полимеризации, но это важный вторичный метод производства полиуретановых компонентов..
Полиуретановый блок, лист, стержень, или предварительно отлитая заготовка может быть обработана с помощью точения на станке с ЧПУ., фрезерование, бурение, и другие операции для достижения точных размеров и сложной геометрии..
Потому что полиуретан гибок и может деформироваться под действием сил резания., параметры обработки должны выбираться в зависимости от твердости и эластичности материала..
Чрезмерная сила резания, тепловое образование, или отклонение инструмента может привести к неточностям размеров или плохому качеству поверхности.. Острые режущие инструменты и соответствующий крепеж особенно важны для мягких сортов стали..
Продукты:
Обработка с ЧПУ обычно используется для прецизионные полиуретановые уплотнения, пользовательские втулки, изнашиваемые компоненты, ролики, прототипы, инженерные части, замена компонентов, и продукты по индивидуальному заказу в небольших объемах.
7. Применение полиуретана
Исключительная универсальность полиуретана позволяет ему служить конструкционным материалом., эластомер, покрытие, клей, герметик, мыло, и изоляционный материал.
Таким образом, его области применения простираются от потребительских товаров до требовательного промышленного оборудования..
Автомобильная промышленность
Типичные области применения включают подушки сидений., подголовники, втулки подвески, монтиры двигателя, уплотнения, компоненты рулевого управления, внутренняя отделка, компоненты приборной панели, Защитные покрытия, и акустическая изоляция.
Промышленные ролики и колеса
Полиуретановые ролики широко используются в:
- Конвейерные системы
- Погрузочно-разгрузочное оборудование
- Печатное оборудование
- Упаковочное оборудование
- Текстильное оборудование
- Колеса для вилочных погрузчиков
- Направляющие ролики
- Ведущие колеса
Уплотнения, Прокладки, и втулки
Сочетание эластичности полиуретана, сопротивление разрыву, и стойкость к истиранию делают его пригодным для динамического уплотнения..
Уплотнения из полиуретана и гидравлические компоненты обычно используются там, где материал испытывает повторное скольжение, давление, и механическая деформация.
Втулки и демпфирующие элементы также выигрывают от способности полиуретана поглощать вибрацию, сохраняя при этом структурную целостность..
Горное и тяжелое оборудование
Горнодобывающее и строительное оборудование подвергает полимерные компоненты сильному истиранию., влияние, пыль, влага, и механическая нагрузка.
Поэтому полиуретан используется для носить вкладыши, экранные панели, вкладыши желоба, лезвия скребка, ролики, гидравлические уплотнения, и защитные компоненты.
В абразивных средах, правильно составленный полиуретановый компонент может значительно снизить частоту технического обслуживания по сравнению с менее износостойкими эластомерами..
Строительные и строительные материалы
Полиуретан играет важную роль в современных строительных системах..
Жесткие пенополиуретаны и пенополиизоцианураты обеспечивают низкую теплопроводность и широко используются в изолированные панели, холодильные системы, строительные оболочки, крыши, стены, и изоляция труб.
Полиуретановые герметики и покрытия также используются для герметизация швов, гидроизоляция, полы, Защитные покрытия, и защита бетона.
Электрическая и электронная продукция
ПУ материалы могут обеспечить электрическую изоляцию, гибкость и защиту окружающей среды..
Они используются для кабельные оболочки, заливочные смеси, герметизирующие материалы, разъемы, Защитные покрытия, и компоненты, гасящие вибрацию.
Составы могут быть разработаны для обеспечения определенных комбинаций диэлектрических свойств., устойчивость к влажности, гибкость, и огнестойкость.
Обувь и потребительские товары
Гибкий полиуретан и ТПУ широко используются в потребительских товарах, поскольку они предлагают выгодное сочетание комфорта., устойчивость, долговечность, и гибкость дизайна.
Приложения включают подошвы для обуви, компоненты спортивной обуви, защитные чехлы, захватывает, колеса, спортивные товары, компоненты багажа, и гибкие детали потребительских товаров.
8. Преимущества полиуретана
- Непревзойденная возможность настройки производительности — твердость, плотность и механические свойства могут быть точно спроектированы в чрезвычайно широком диапазоне на одной химической основе..
- Исключительная стойкость к истиранию и износу — Срок службы полиуретановых эластомеров обычно в 3–10 раз превышает срок службы резиновых альтернатив в условиях сильного износа..
- Превосходная теплоизоляция — жесткий пенополиуретан является наиболее термически эффективным коммерчески доступным органическим изоляционным материалом., снижение энергопотребления здания на 30–50 %.
- Широкие возможности обработки — возможно изготовление методом вспенивания, кастинг, распыление, Инъекционное формование, методы экструзии и нанесения на месте.
- Универсальная адгезия к подложке — покрытия и клеи прочно сцепляются с металлом, древесина, конкретный, стекло и большинство пластмасс.
- Отличное вибрационное демпфирование — гибкие пенопласты и эластомеры эффективно поглощают удары и шум, что делает их незаменимыми для автомобильного и промышленного контроля шума, шума и шума..
- Дизайн свободы — обработка жидкости позволяет производить большие, сложный, интегрированные детали, которые были бы невозможны при использовании резины или жесткого пластика.
9. Ограничения полиуретана
- Умеренная термостойкость — стандартные марки имеют пределы продолжительной эксплуатации 80–120°C.. Длительное воздействие выше этого диапазона вызывает термическую деградацию и необратимую потерю свойств..
- Чувствительность к гидролизу — полиуретаны на основе полиэфира постепенно разрушаются при длительном нагреве., влажная среда. Полиэфирные сорта работают лучше, но все же имеют ограничения..
- УФ-деградация ароматических сортов — стандартные ароматические полиуретаны желтеют и мелеют при длительном воздействии ультрафиолета. Алифатические сорта решают эту проблему, но стоят значительно дороже..
- Опасности при обращении с сырьем — непрореагировавшие мономеры изоцианата вызывают раздражение дыхательных путей и требуют надлежащей вентиляции и средств индивидуальной защиты во время обработки.. Полностью отвержденные продукты безопасны для обычного конечного использования..
- Воспламеняемость — немодифицированный полиуретан горюч и может выделять токсичные пары при горении.. Огнезащитные составы необходимы для применения в строительстве и на транспорте..
- Проблемы переработки — сшитый термореактивный полиуретан не подлежит переплавке, что затрудняет механическую переработку. Технологии химической переработки появляются, но пока не являются общедоступными..
10. Соображения окружающей среды и устойчивости
| Аспект | Оценка |
| Возобновляемые ресурсы | Полиолы биологического происхождения становятся все более доступными, полученные из растительных масел или растительных источников. |
| Переработка | Термопластичные полиуретаны (TPU) подлежат вторичной переработке; реактопласты (жесткие пены, много эластомеров) не являются. |
| Потребление энергии | Производство полиуретана из нефтехимии энергозатратно. |
| Оценка жизненного цикла | Зависит от состава и применения; изоляция (жесткая пена) может обеспечить значительную экономию энергии. |
| Конец жизни | Отходы пенопласта сложно переработать; сжигание является распространенным способом утилизации. |
| Здоровье и безопасность | Изоцианаты токсичны.; правильная вентиляция и средства индивидуальной защиты необходимы во время обработки. |
| Биоразлагаемость | Обычный полиуретан не биоразлагаем.. |
11. Полиуретан против. Резина и обычные пластмассы
Полиуретан занимает особое положение между эластомерами и конструкционными пластиками..
Следующее сравнение подчеркивает основные различия между полиуретаном и некоторыми широко используемыми материалами..
| Свойство | Полиуретан | Натуральный каучук | Полиэтилен (Финиш) | Нейлон |
| Тип материала | Универсальный полимер; доступен в виде эластомера, термопластик, термореактивный, и пена | Натуральный эластомер | Термопластик | Инженерный термопластик |
| Типичная твердость | Примерно 20 Берег А до 70+ Шор Д, в зависимости от рецептуры | Примерно 20–90 по Шору А. | Обычно диапазон Shore D для жестких марок | Обычно Rockwell или Shore D.; обычно жесткий |
| Предел прочности | Обычные сорта эластомеров примерно 20–60 МПа.; зависящий от рецептуры | Примерно 15–30 МПа для многих коммерческих марок. | Примерно 10–40 МПа, Оценка | Примерно 50–100 МПа для многих технических марок. |
| Удлинение при перерыве | Обычно 200–700 % для эластомерных марок. | Обычно 400–800% | Обычно 100–1000% в зависимости от класса. | Обычно намного ниже, чем эластомерный полиуретан. |
| Устойчивость к истиранию | Отличный; Одно из главных преимуществ полиуретана | Хорошо и отлично | От умеренного до хорошего | Хороший |
| Сопротивление слезы | От очень хорошего до отличного | Отличный | Умеренный | Хороший |
| Эластичное восстановление | Отлично подходит для правильно составленных эластомеров. | Отличный | Обычно ниже, чем у эластомеров | Относительно ограничено |
Воздействие сопротивления |
Очень хороший; остается высокоэффективным во многих требовательных приложениях | Отличный | Хороший, особенно в марках полиэтилена, предназначенных для ударопрочности | Хорошо и отлично |
| Масло- и жиростойкость | В целом очень хорошо, особенно с подходящим полиэстером- или составы на основе полиэфиров | Относительно бедный; масла могут вызвать отек и ухудшение состояния | В целом хорош против многих химикатов., но стойкость к растворителям варьируется | Хороший, хотя некоторые химикаты и влага могут повлиять на производительность |
| Химическая устойчивость | От хорошего до отличного в зависимости от химического состава; полиэстер и полиэфирный ПУ ведут себя по-разному | Ограничено против масел, топливо, озон, и некоторые химикаты | Отличная устойчивость ко многим кислотам, щелочи, и водные химикаты | Хорошая стойкость ко многим углеводородам и маслам., но чувствителен к некоторым кислотам и влаге |
| Влагостойкость | В зависимости от рецептуры; полиэфирный полиуретан обычно лучше работает во влажной среде. | Хорошо подходит для многих применений, но чувствителен к старению под воздействием окружающей среды. | Очень хороший | Поглощение влаги может быть значительным и влиять на размеры и механические свойства. |
Выветривание / Устойчивость к ультрафиолетовому излучению |
От хорошего до отличного с соответствующей стабилизацией; алифатический полиуретан обеспечивает особенно высокую устойчивость к ультрафиолетовому излучению | Ограничен; озон и ультрафиолет могут ускорить разложение | Вообще хорошо, особенно с УФ-стабилизаторами | Умеренный; Для эксплуатации на открытом воздухе могут потребоваться УФ-стабилизаторы. |
| Температурная стойкость | Широкий диапазон, но сильно зависит от рецептуры; многие марки непрерывно работают от минусовых температур примерно до 80–120°C. | Обычно эффективен при температуре примерно от -50 до 80 ° C., в зависимости от соединения | Широкий диапазон; Оценка | Как правило, более высокая температурная устойчивость при непрерывном использовании, чем у эластомерного полиуретана. |
| Гибкость при низкой температуре | От хорошего до отличного для правильно сформулированных оценок | Отличный | Подходит для подходящих низкотемпературных марок | Обычно ниже, чем у гибкого полиуретана и резины. |
| Водопоглощение | Обычно низкий, но значительно варьируется в зависимости от химического состава и клеточной структуры | От низкого до умеренного | Очень низкий | Относительно высокий по сравнению с ПУ и ПЭ. |
| Несущая способность | Отлично подходит для эластомеров; высокопроизводительные марки могут выдерживать значительные сжимающие и динамические нагрузки | Хороший, но долговременная деформация может быть значительной | Подходит для конструкционных термопластов. | Отличный для жестких инженерных компонентов |
Устойчивость к усталости |
Превосходно во многих динамических приложениях | Превосходно при подходящей циклической нагрузке | Хороший | Хороший |
| Методы обработки | Кастинг, Реакционное литье под давлением, Инъекционное формование, экструзия, сжатие литья, вспенивание, обработка | Обработка латекса, формование, экструзия, вулканизация | Инъекционное формование, экструзия, Взорвать, ротационное формование | Инъекционное формование, экструзия, обработка |
| Типичные приложения | Колеса, ролики, уплотнения, втулки, прокладки, виброизоляторы, покрытия, ремни, пены, передачи | Шины, уплотнения, перчатки, вибрационные опоры, шланги, упругие компоненты | Упаковка, трубы, контейнеры, лайнеры, Фильмы, структурные пластиковые детали | Передачи, подшипники, втулки, структурные компоненты, электрические детали |
| Основное преимущество | Исключительное сочетание устойчивость к истиранию, эластичность, стойкость, грузоподъемность, и гибкость дизайна | Отличная эластичность, устойчивость к усталости, и устойчивость | Бюджетный, химическая устойчивость, низкое поглощение влаги | Высокая сила, жесткость, размерная стабильность, и температурная способность |
| Основное ограничение | Свойства значительно различаются в зависимости от рецептуры; некоторые сорта чувствительны к гидролизу, нагревать, или ультрафиолетовое воздействие | Плохая устойчивость к маслам., озон, и некоторые химикаты | Более низкие температуры и механические характеристики, чем у многих технических полимеров. | Поглощение влаги и чувствительность к определенным химическим веществам могут повлиять на производительность. |
12. Заключение
Полиуретан занимает уникальную позицию в мире материалов как полимерная платформа с наиболее гибкой конструкцией, доступная сегодня..
Его молекулярная структура с микрофазным разделением позволяет настраивать характеристики во всем спектре: от мягкого пенопласта до жесткого инженерного пластика., поддержка критически важных функций практически во всех отраслях промышленности.
Никакое другое семейство материалов не может одновременно служить амортизацией., изоляция, конструкционный компонент и защитное покрытие с одинаковой эффективностью.
Поскольку глобальный спрос на энергоэффективность, рост легкости и современных материалов, полиуретан останется основополагающим промышленным материалом, развиваясь от его нефтяного происхождения к более устойчивому, Будущее экономики замкнутого цикла, сохраняя при этом исключительную универсальность, которая сделала ее незаменимой для современного производства и строительства..
Часто задаваемые вопросы
Полиуретановый пластик или резина??
Полиуретан попадает в категорию между резиной и пластиком.. Мягкие полиуретановые эластомеры ведут себя так же, как резина., в то время как твердые сорта полиуретана приближаются к характеристикам инженерного пластика.
В отличие от настоящей резины, он не сшивается посредством вулканизации; в отличие от настоящего пластика, он очень эластичен в большей части диапазона твердости.. Наиболее точно его классифицируют как эластомерный полимер..
Воспламеняется ли полиуретан??
Некоторые составы являются легковоспламеняющимися.. Антипирены обычно добавляются в тех случаях, когда требуется огнестойкость..
Жесткий пенополиуретан, используется при утеплении зданий, должны соответствовать строгим нормам пожарной безопасности.
В чем разница между полиэфиром и полиэфиром полиуретаном?
Полиэфирный полиуретан обладает лучшей устойчивостью к гидролизу., микробная резистентность, и низкотемпературная гибкость.
Полиэфирный полиуретан имеет более высокую прочность на растяжение., рвать, и устойчивость к истиранию, но подвержен гидролизу и микробному воздействию..
Что такое ТПУ?
ТПУ означает термопластичный полиуретан.. Это тип полиуретана, который можно обрабатывать так же, как и обычные пластмассы. (Инъекционное формование, экструзия) и подлежит вторичной переработке.
Используется в шлангах, трубка, Фильмы, обувь, и многие промышленные применения.
Как делают пенополиуретан?
Пенополиуретан получают путем реакции изоцианата с полиолом в присутствии пенообразователя. (обычно вода), катализаторы, и поверхностно-активные вещества.
В результате реакции образуется газ CO₂., который расширяет полимер в пену.
