Полиуретаны — класс синтетических эластомеров с программируемыми свойствами. Полиуретаны широко применяются в промышленности как эффективные заменители резины и конструкционных пластмасс — для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах, в условиях больших знакопеременных нагрузок и температур. Рабочая температура для большинства полиуретанов — от -60° С до +80° С. Допусти́м кратковременный (до 24 часов) нагрев до 120° С.

Полиуретаны мало подвержены старению, имеют низкую температуру стеклования и высокую стойкость к воздействию окружающей среды. Полиуретаны стойки к абразивному износу, обладают устойчивостью к большинству органических растворителей, к озону и ультрафиолетовым лучам, морской воде. Прочность связи полиуретан-металл значительно выше, чем между резиной и металлом.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИУРЕТАНОВ

Разнообразие исходного сырья, а также химических реакций, сопровождающих синтез ПУ, возможности формирования широкого набора химических и физических связей позволяют создавать на основе ПУ различные материалы. В связи с этим непрерывно разрабатываются все новые и новые возможности использования ПУ. Материал излагаемый в статье призван  дать достаточное ясное представление об основных областях применения описываемого эластомера.

Полиуретановые эластомеры - характеризуются высокими значениями прочности и сопротивления раздиру, износостойкостью, устойчивостью к набуханию в различных маслах и растворителях, а также озоно- и радиационностойкостью. Сочетание высокой эластичности с широким диапазоном твердости определяет превосходные эксплуатационные свойства изделий на их основе. Наиболее широкое применение в промышленности получили литьевые полиуретановые эластомеры, из которых изготовляют как крупногабаритные изделия, так и изделия средних размеров: массивные шины для внутризаводского транспорта, надежность которых в 6-7 раз больше, чем шин из углеводородных каучуков; детали устройств для транспортирования абразивного шлама, флотационных установок, гидроциклов и трубопроводов, применяемых в горнодобывающей промышленности. Тонкими листами ПУ эластомеров покрывают лопасти вертолетов, что надежно защищает детали от абразивного износа и повышает срок их эксплуатации более чем в два раза. Литьевые ПУ эластомеры используют также для получения приводных ремней в стиральных машинах, ковровых изделий. Из них изготавливают конвейерные ленты, рукава, разнообразные уплотнительные детали, которые применяют в угледобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности, детали машин, валики для текстильной и бумажной промышленности, уплотнения гидравлических устройств шахтных крепей и масляно-пневматических амортизаторов железнодорожного транспорта.                               
           
ПУ термоэластопласты наиболее широко применяются в автомобилестроении. Из них изготавливают подшипники скольжения рулевого механизма, элементы для передней подвески, вкладыши рулевых тяг, самосмазывающиеся уплотнения, топливостойкие клапаны, маслостойкие детали, рычаги переключения передач. В обувной промышленности из ПУ эластомеров изготавливают сравнительно дешевые и износостойкие подошвы, а также используют в качестве искусственной кожи.

Пенополиуретаны. В 1947 году Байер опубликовал данные о методе получения жестких пенополиуретанов. В результате дальнейших исследований в лабораториях "Farbenfabriken Bayer" были получены эластичные пенополиуретаны, которые обеспечили успешное развитие промышленности ПУ.

    Процесс образования пенополиуретанов гораздо сложнее, чем процессы, протекающие при получении невспененных ПУ, поскольку здесь приходится сталкиваться с явлениями, характерными для коллоидных систем. Для того чтобы иметь ясное представление о процессе пенообразования, нужно знать основные реакции, в результате которых происходят образование газа и рост макромолекул, коллоидную химию формирования пузырьков пены, а также реологию полимера в процессе его отверждения. Для улучшения пенообразования к системе обычно добавляют воду, за счет реакции которой с изоцианатом выделяется углекислый газ, необходимый для вспенивания:

R-N=C=O + HOH [RNHCOOH] 

RNH2 + CO2?

В качестве вспенивателей, особенно в производстве жестких пенопластов, также применяют низкокипящие жидкости - фреоны (хладоны), представляющие собой галоидалканы, например трихлорфторметан. Однако в связи с проблемой разрушения озонового слоя Земли использование некоторых из них запрещено. Отметим, что на долю пенополиуретанов приходится не более 5% общего объема потребления фреонов, основная же их часть используется в качестве аэрозольных пропеллентов и рабочего вещества холодильных машин. Тем не менее перед производителями пенополиуретанов стоит актуальная задача поиска заменителей фреонов.

Пенополиуретаны условно разделяются на следующие группы: 1) по твердости или значению модуля упругости - на жесткие, полужесткие и эластичные (обычно к эластичным относятся пенопласты, имеющие напряжение сжатия при 50%-ной деформации менее 10 кПа, а к жестким - более 150 кПа; полужесткие занимают промежуточное положение); 2) по способу получения - на блочные и формованные; 3) по степени замкнутости ячеек - на открыто- и закрытоячеистые. Важными свойствами пенополиуретанов являются невысокая кажущаяся плотность (до 16-18 кг/м3), отличные теплоизоляционные свойства, высокая прочность при растяжении и раздире, стойкость к окислительному старению.Полиуретановое покрытие обеспечивает продление срока службы изделия.                                                                                                                                                                

Основными потребителями эластичных пенополиуретанов являются мебельная промышленность, транспорт (прежде всего автомобилестроение) и обувная промышленность. Жесткие пенополиуретаны являются одними из наиболее распространенных строительных материалов. Эти легкие, но достаточно прочные пенопласты обладают очень низкой теплопроводностью, малой паропроницаемостью, высокой адгезией к металлу, штукатурке и древесине. Их также используют для изоляции холодильных камер, утепления жилых зданий, теплоизоляции трубопроводов, промышленных и административных зданий.

Другие области применения полиуретанов. Перечислим некоторые из перспективных направлений применения ПУ, которые являются прекрасными примерами реализации богатства их возможностей. ПУ используют в качестве связующих для изготовления древесностружечных плит взамен мочевино-формальдегидных смол. Однокомпонентные пенопласты (или пеногерметики) из ПУ применяют для заполнения полостей, щелей. Освоен выпуск пенопластов, заменяющих и имитирующих древесину. ПУ используют для получения эффективных клеевых составов и покрытий в строительстве и машиностроении, а также клеев и протезов медицинского назначения, которые благодаря прекрасным физико-механическим свойствам и сходству их строения с белковыми структурами лучше совмещаются с тканями организма. Большие успехи в последние десятилетия достигнуты также в области переработки уретановых реакционноспособных композиций. Восстановление полиуретаном сложный технологический процесс.                                                 

 Преимущества полиуретана                                    

    Полиуретаны - наиболее универсальные материалы, доступные в практическом использовании. Области применения полиуретановых эластомеров и типы изделий определяются уникальным комплексом физико-химических свойств, предоставляемых нашими материалами – от мягких резин до конструкционных пластиков. Более высокая стоимость изделий из литьевых полиуретанов компенсируется в итоге сокращением простоев оборудования и издержек на его ремонт, создавая, таким образом, значительную экономию. Изделия из литьевых полиуретанов служат гораздо дольше, чем их аналоги из любых других материалов, они прочны, износостойки. Существует ряд применений, где полиуретаны представляются единственно приемлемыми материалами.

    Полиуретановые изделия производятся методом свободного литья, не требующего, в отличие от термопластов и резин, сложных и дорогостоящих литьевых форм. Эта особенность в сочетании с доступностью различных видов механической обработки позволяет оперативно и недорого решать проблему изготовления мелкосерийных и штучных изделий, включая импортозамещение. Поэтому полиуретановые технологии представляют большой интерес для оперативного производства комплектующих при выполнении ремонтных работ различного рода во всех отраслях промышленности.

     Преимущества изделий из полиуретанов перед резиновыми смесями:

Высокая абразивная стойкость 
Высокая прочность на разрыв, стойкость к рубящим ударам                                                    
Способность противостоять более высоким нагрузкам 
Более широкий диапазон твердости - от 30 Шор А до 80 Шор Д                                                  
Высокая устойчивость к распространению надрезов 
Высокая устойчивость к атмосферным воздействиям – озону, кислороду, влаге, ультрафиолетовой радиации, нагреву 
Низкий коэффициент трения для твердых сортов 

 & Например, по экспериментальным данным, пара полиуретан-резина имеет коэфициент трения - 0,35, в то же время по сравнению с парой трения резина по резине 0,5-0,6  и следовательно имеем в итоге значительно меньший износ материала.

Длительное сохранение рабочих размеров 
Возможность практически всех видов механической обработки 
Нет налипания сыпучих сред

       Преимущества изделий из полиуретанов перед металлическими поверхностями:

Выше соотношение стоимость/долговечность 
Более низкий вес 
Упругость, эластичность 
Высокая стойкость к абразивному износу 
Более дешевая подготовка производства 
Меньше системный шум работающих механизмов 
Сокращение затрат на обслуживание и ремонт оборудования 
Не проводят электрический ток

      Преимущества изделий из полиуретанов перед пластиками:

Устойчивость к высоким механическим нагрузкам 
Упругая деформация 
Высокая абразивная стойкость 
Снижение уровня шума работающих механизмов 
Регулируемый коэффициент трения                                                                                  
Легкость формирования толстых слоев 
Низкая стоимость подготовки производства 
Эластичность при низких температурах 
Устойчивость к холодному течению 
Не раскалываются при ударных нагрузках

      Характеристики полиуретана

Высокая абразивная устойчивость. Благодаря этому свойству полиуретаны стали известны в технике. Изделия из полиуретанов до 50 раз долговечнее резин, пластиков, в некоторых применениях - цветных и черных металлов. Эта долговечность часто означает, что полиуретановые детали могут быть сделаны с меньшим по весу количеством материала, требовать меньше затрат на обслуживание, создавая в итоге значительную экономию средств. 
Твердость по Шору в диапазоне 30-95 единиц . Полиуретан - один из самых жестких, наиболее абразионно-стойких эластомеров, не подверженных разлому под нагрузками 
Высокая прочность на разрыв и сопротивление распространению надрезов, устойчивость к воздействию рубящих ударов. Изделия из полиуретанов сохраняют форму и механические свойства после приложения циклических нагрузок. 
Высокая эластичность. Изделия из полиуретанов хорошо противостоят многократным изгибам без разрушения. Высокая прочность полиуретанов позволяет использовать их в тонких слоях для повышения эластичности в динамических применениях. 
Коэффициент трения. Полиуретаны могут быть изготовлены с коэффициентом трения от очень низкого, подобно втулкам, подшипникам или сменным вкладышам, до очень высокого, подобно шинам или валам. Естественная смазывающая способность полиуретанов позволяет их использование с другими движущимися частями без смазок. 
Температурный диапазон эксплуатации изделий от -50 до +80ºС, кратковременно до +100ºС. Полиуретаны остаются гибкими при очень низких температурах и обладают выдающимся сопротивлением тепловому удару. 
Высокая упругость и эластичность в широком диапазоне твердости, сопротивление многократным деформациям и изгибам без разлома. Удлинение до 650%. 
Низкая остаточная деформация при снятии нагрузки. Полиуретаны имеют высокую допустимую нагрузку на сдвиг. 
Хорошая адгезия к большинству материалов. Возможность изготовления армированных деталей. 
Хорошая химическая стойкость к маслам, нефти, органическим растворителям. 
Прекрасная устойчивость к неблагоприятным атмосферным воздействиям - влаге, озону, ультрафиолетовой радиации, микроорганизмам, комбинированному воздействию трения и коррозионных сред. 
Использование полиуретанов позволяет уменьшить вес изделия до 50 %, снизить уровень вибраций и системного шума работающих механизмов в сравнении с металлами. 
Большинство полиуретанов - превосходные электрические изоляторы.

     Физико-механические показатели различных типов полиуретана

      Регламентируют требования на изделия формовые из литьевых полиуретанов, предназначенные для применения в технических целях в условиях интенсивного абразивного и гидроабразивного износа, высоких ударных давлений, а также в качестве амортизационных, опорных и силовых деталей машин.

    Температурный диапазон эксплуатации изделий из форполимеров на основе простых полиэфиров от минус 50 до плюс 80 ºС. Изделия могут выдерживать кратковременный нагрев до 90 ºС.

    Температурный диапазон эксплуатации изделий из форполимеров на основе сложных полиэфиров от минус 25 до плюс 90 ºС. Изделия могут выдерживать кратковременный нагрев до 100 ºС.
 

                                                                                                               
Твердость по Шору А Усл. ед.                                                 90±5 95±5 97±5 95±5 93±5 85±5 80±5 70±5 60±5  45±15
Напряжение при удлинении 100%, не менее МПа                  7,5 10 20 10 8.0 4.0 3.5 2.3 1.6 -
Напряжение при удлинении 300%, не менее МПа                 14.5 23.4 - 23.5 16.0 8.5 7.5 3.2 2.4 -
Условная прочность при растяжении, не менее МПа            31 34.5 40 38 20 38 40 31 24 -
Относительное удлинение при разрыве, не менее %           450 300 200 330 300 480 500 540 530 -
Сопротивление раздиру, не менее кН/м                                 50 70 70 80 7 48 45 40 25 -