Реферат на тему полиуретаны

Обновлено: 05.07.2024

Целью курсовой работы является изучение полиуретанов как одних из основных, использующихся в настоящее время в промышленности, полимерных материалов. Для осуществления цели поставлены следующие задачи: рассмотреть получение и свойства полиуретанов, применение и производство изделий из полиуретанов.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3
Химическое определение полиуретана 4
1.2 Получение полиуретанов 5
1.3 Модификации полиуретанов с целью понижения горючести 10
1.4 Свойства полиуретанов 15
2. Применение полиуретанов 19
2.1 Производство изделий из литьевых полиуретанов 19
2.2 Футеровка валов 20
2.3 Фторполимеры уретановые 21
2.4 Изделия из полиуретана 22
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 33

Работа состоит из 1 файл

Тема Полиуретан.docx

1.2 Получение полиуретанов 5

1.3 Модификации полиуретанов с целью понижения горючести 10

1.4 Свойства полиуретанов 15

2. Применение полиуретанов 19

2.1 Производство изделий из литьевых полиуретанов 19

2.2 Футеровка валов 20

2.3 Фторполимеры уретановые 21

2.4 Изделия из полиуретана 22

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 33

Полиуретановые материалы являются широко распространенными полимерами в народном хозяйстве. Они характеризуются комплексом ценных эксплуатационных свойств, а именно высокой прочностью, высоким относительным удлинением устойчивостью гидролитическому воздействию и устойчивости к воздействию некоторых видов агрессивных сред. Однако, основным недостатком полиуретановых материалов является их низкая устойчивость к воздействию к термической и термоокислительной деструкции, причем полиуретаны являются горючими полимерами, их кислородный индекс составляет 17-19%. Поэтому повышение устойчивости полиуретанов к воздействию высоких температур и к воздействию открытого пламени является актуальной задачей.

Снижение влияния этого недостатка на работоспособность полимеров в процессе их эксплуатации осуществляют за счет модификации. Существуют несколько способов модификации. Модификация может быть физической и осуществляется путем наполнения полимерного материала различного рода продуктами без образования химических связей, либо химической. В этом случае присутствуют химические связи между полимерной матрицей и соединением модификатора. В свою очередь химическая модификация может быть осуществлена на различных стадиях получения и переработки полимеров.

Таким образом, существует реальная возможность варьирования свойств полимерного материала в широких пределах, а так же получение полимера с комплексом заданных свойств.

В настоящее время ведутся активные работы в области получения модифицированных полимерных материалов, в том числе и полиуретановых, которые сохраняют исходные свойства и характеризуются дополнительными, в частности имеют повышенную термическую устойчивость.

Полиуретанами являются химические соединения, в составе которых содержатся уретановые группы NHCOO. Они очень широко применяются сейчас в промышленности. Существуют несколько типов применяемых полиуретанов: полиуретаны, полиэтилены и полиамиды.

Первые полиуретаны начали разрабатываться в Германии и США в начале 30-х годов XX века. Целью их разработки являлась необходимость замены таких стратегических видов сырья, как натуральный каучук, пробковое дерево и сталь. Лаборатория известного немецкого ученого Байера в 1937 году впервые синтезировала полиуретановые эластомеры. Производство полиуретанов в промышленных масштабах началось в Германии в 1944 году. Производство полиуретана на основе сложных полиэфиров в широких масштабах поле войны началось в США, начиная с 1957 года. В СССР исследования технологии производства полиуретановых соединений начались в 60-е годы сразу в нескольких НИИ Академии Наук СССР.

Полиуретаны — гетероцепные полимеры, макромолекула которых содержит незамещённую и/или замещённую уретановую группу —N(R)—C(O)O—, где R = Н, алкил, арил или ацил. В макромолекулах полиуретанов также могут содержаться простые и сложноэфирные функциональные группы, мочевинная, амидная группы и некоторые другие функциональные группы, определяющие комплекс свойств этих полимеров. Полиуретаны относятся к синтетическим эластомерам и нашли широкое применение в промышленности благодаря широкому диапазону прочностных характеристик. Используются в качестве заменителей резины при производстве изделий, работающих в агрессивных средах, в условиях больших знакопеременных нагрузок и температур. Диапазон рабочих температур — от −60°С до +80°С.

Свойства полиуретанов изменяются в очень широких пределах (в зависимости от природы и длины участков цепи между уретановыми группировками, от структуры — линейная или сетчатая, молекулярной массы, степени кристалличности и др.). Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или твёрдыми (аморфными или кристаллическими) продуктами — от высокоэластичных мягких резин до жёстких пластиков (твёрдость по Шору от 15 по шкале А до 60 по шкале D соответственно). Полиуретаны устойчивы к действию кислот, минеральных и органических масел, бензина, окислителей; по гидролитической стойкости превосходят полиамиды. Линейные полиуретаны растворимы в некоторых полярных растворителях (например, диметилформамиде, диметилсульфоксиде).

Полиуретан относится к конструкционным материалам, механические свойства полиуретана дают возможность использовать его в деталях машин и механизмов, подвергающихся силовым нагрузкам. К данному виду промышленных материалов предъявляются очень серьезные требования с точки зрения сопротивляемости воздействию агрессивной внешней среды. Все конструкционные материалы делятся по своей природе на металлические, неметаллические и композитные. Полиуретан, по данной классификации, относится к группе неметаллических материалов, хотя обладает и определенным набором свойств металлов и композитов. Существует ряд важнейших критериев для оценки применимости конструкционных материалов в определенных промышленных условиях (прочность, ресурс, температурная стойкость, износостойкость, химическая инертность, электрическая проводимость и др.).

При увеличении числа функциональных групп в молекулах одного или обоих компонентов до трех или более получаются разветвленные или сшитые полимеры. Структуру и свойства полиуретанов можно менять в широких пределах путем подбора соответствующих исходных веществ. Они относятся к числу тех немногих полимеров, у которых можно направленно регулировать число поперечных связей, гибкость полимерных молекул и характер межмолекулярных взаимодействий. Это дает возможность получать из полиуретанов самые разнообразные материалы – синтетические волокна, твердые и мягкие эластомеры, жесткие и эластичные пеноматериалы, различные термореактивные покрытия и пластические массы.

Изготовление полиуретановых соединений является сложным и энергоемким технологическим процессом. Они получаются путем смешивания и термостатирования двух компонентов, полиола и изоцианита. К ним добавляют полиэфирамины. Этот процесс требует применения дорогостоящего оборудования. Технологией изготовления сырья для получения полиуретана обладают Россия, Германия, Италия и США.

Для получения полиуретана применяют несколько методов обработки сырья: экструзию, прессование, литье в открытые формы. Наиболее распространен метод литья полиуретановых эластомеров. Этот метод позволяет изготавливать как большие, так и относительно малые по размерам изделия. Например, таким способом получают шины для транспорта внутри завода. Надежность этих шин до 7 раз выше, чем у шин, получаемых из углеводородного каучука. Так же получают и листовые элементы, которые могут быть как тонкими пленками, так и массивными полиуретановыми пластинами. Путем литья изготавливают опоры, втулки, манжеты, уплотнительные кольца, покрытия для металлических валов, роликов и колес, различные детали, подверженные абразивному воздействию. Литые полиуретановые изделия широко применяются в горнодобывающей промышленности, где к таким изделиям предъявляются повышенные требования по сопротивлению к абразивному износу и повышенной температуре.

Рассмотрим механизм способа получения полиуретанов.

Полиуретаны получают взаимодействием соединений, содержащих изоцианатные группы с би- и полифункциональными гидроксилсодержащими производными.

При помощи этой молекулы под названием диазодицикло(2,2,2)октан (diazobicyclo[2.2.2]octane), или сокращенно DABCO, эти два мономера могут полимеризоваться.

DABCO является очень хорошим нуклеофильным реагентом или электроно- донорным веществом. Это означает, что у него есть пара неподеленных электронов, которая присоединится к какому-нибудь легко уязвимому ядру. Как известно, у электронов заряд отрицательный, а ядра атомов несут на себе положительный заряд, вследствие чего отрицательные и положительные заряды притягивают друг друга. Поэтому электроны в молекуле будут смотреть по сторонам и обнаружат ядро у одного из атомов водорода в гидроксильной группе двухосновного спирта. Эти атомы водорода уязвимы, поскольку они соединены с атомами кислорода. Кислород обладает высокой электроотрицательностью. Это означает, что он притягивает к себе электроны от соседствующего с ним атома водорода. Это нарушает равновесие в атоме водорода между положительным зарядом ядра и отрицательным зарядом электронов. Электроны могли бы уравновесить положительный заряд ядра своими отрицательными зарядами, не будь они так сильно притянуты к кислороду. Это оставляет атом водорода с небольшим положительным зарядом.

Электроны в молекуле DABCO притягиваются и образовывают водородную связь между атомом водорода одной из гидроксильных групп в молекуле двухосновного спирта и атомом азота в молекуле DABCO. Эта водородная связь оставляет частичный положительный заряд на атоме азота, но еще важнее то, что в результате образуется частичный отрицательный заряд на атоме кислорода. Этот частичный отрицательный заряд активирует атом кислорода.

У атома кислорода электроны в избытке, поэтому он и будет взаимодействовать с молекулами, у которых недостаток электронов. Если посмотреть на молекулу диизоцианата, то видно, что атом углерода в изоцианатной группе зажат между двумя электроотрицательными атомами, кислородом и азотом. Это означает, что этот атом углерода нуждается в электронах. Поэтому атом кислорода взаимодействует с ним. Он дает пару электронов атому углерода и образуется связь.

Это выталкивает пару электронов из двойной связи между атомами азота и кислорода. Эта пара теперь обосновывается на атоме азота, сообщая ему отрицательный заряд. Тем временем атом кислорода, отдав пару электронов, остается с положительным зарядом.

Далее атом азота отдает эту пару электронов атому водорода в спиртовой группе. В результате образуется связь между атомами водорода и азота.

После этого и образуется уретановый димер.

У данного уретанового димера на одном конце молекулы находится спиртовая группа, а на другом - изоцианатная группа. Поэтому он может взаимодействовать либо с двухосновным спиртом, либо с диизоцианатом, образовав тример. Или он может прореагировать с другим димером, тримером или даже более крупным олигомером. Таким образом, мономеры и олигомеры продолжают взаимодействовать и соединяться до тех пор, пока не получится полиуретан с высокой молекулярной массой.

В качестве изоцианатов используются толуилендиизоцианаты (2,4- и 2,6-изомеры или их смесь в соотношении 65:35), 4,4'-дифенилметан-, 1,5-нафтилен-гекса- метилендиизоцианаты, полиизоцианаты, трифенилметан-триизоцианат, биуретизоцианат, изоциануратизоцианаты, димер 2,4-толуилендиизоцианата, блокированные изоцианаты.

Строение исходного изоцианата определяет скорость уретанообразования, прочностные показатели, световую и радиационную стойкость, а также жёсткость полиуретанов.

Модификация полиуретана является перспективным способом изменения первоначальных свойств полимерного материала.

Химическая модификация имеет ряд преимуществ, поэтому находит все более широкое применение. В данной работе исследована возможность синтеза полиуретанов с частичной или полной заменой промышленного удлинителя цепи диаминопропана на фосполиол, полученный окипропилированием 1-оксиэтилендиенфосфоновой кислоты. Синтезированные полиуретаны подвергали физико-химическим воздействиям, а также исследовали влияние на их свойства повышенных температур.

Выбрана концентрация фосполиола, при которой полиуретан характеризуется оптимальными свойствами.

Количество используемых источников - , таблиц - , графиков - .

Список условных обозначений.

ДМИ – дифинилметан –4,4-диизоцианат;

ФОС – фосфорорганические соединения;

ММВ – межмолекулярные взаимодействия;

ПЭА – полиэтиленгликоль адипината;

ФТЭС – фенил этоксисилан.

Введение.

Целью нашей работы является изучение модификации полиуретанового материала на стадии синтеза и повышение эго термо- и огнестойкости.

1. Литературный обзор.

1.1. Общие положения.

Уретан можно рассматривать как эфир неустойчивой карбаминовой кислоты или как амидоэфир угольной кислоты.

уретановая группа, которой имеет строение

Тот, кто не знаком с этой отраслью полимерной химии, может предположить, что исходный мономером при синтезе полиуретанов являются этикарбомат H 2 NCOOC 2 H 5 , который долго был известен под названием “уретан”.

В действительности полиуретаны получают не из этого соединения, и при их деструкции и гидролизе этот эфир выделить не возможно. Следовательно, токсические свойства этилкарбомата нельзя приписать полиуретанам.

Полиуретаны можно синтезировать различными способами, однако в промышленности наиболее распространено получение их при взаимодействии ди- или полиизоцианатов с соединениями содержащими 2 или более гидроксильные группы в молекуле, например с простыми и сложными полиэфирами с концевыми OH- группами.

Линейный полиуретан синтезированный из соединениями с двумя ОН-группами НО ROH и диизоционата OCNR’NCO , имеет строение:

Содержание работы

Введение 4
1 Химическое определение полиуретана 5
2 Получение полиуретанов 7
3 Модификации полиуретанов с целью понижения горючести 12
4 Свойства полиуретанов 17
5 Применение полиуретанов 19
5.1 Производство изделий из литьевых полиуретанов 19
5.2 Футеровка валов 19
5.3 Фторполимеры уретановые 20
5.4 Изделия из полиуретана 21
Заключение 26
Список литературы 27

Содержимое работы - 1 файл

полиуретаны.docx

В результате анализа ИК-спектров продуктов деструкции установили, что качественный состав продукта деструкции и сложного полиэфира практически идентичен, а их молекулярные массы сопоставимы. Продукт деструкции может применяться как добавка хорошо сопоставимая с исходным полиолом при синтезе полиуретана. Так при введении до 20% (массовых) деструктированного полиуретана в исходный полиэфир, готовый продукт сохраняет физико-механические показатели на первоначальном уровне.

Кремнийорганические полиуретаны являются сравнительно новым классом кремнейорганических полимеров. Получают их обычно взаимодействием высокомолекулярных кремнийорганических диолов с диизоцианатами. Кроме того, кремнийорганические могут быть синтезированы на основе реакционноспособных олигомеров, в частности кремнийорганических олигоэфируретанакфилатов, легко полимеризирующихся по радикальному механизму. Использование кремнийорганических (КО) карбофункциональныъх соединений для модификации полиуретанов способствует существенному улучшению физико-механических показателей, повышению тепло- и морозостойкости, износостойкости, гидрофобности, водо- и химической устойчивости . Пленкообразующие полиуретановые композиции, модифицированные смесью органических и кремнийорганических продуктов, как правило, характеризуются высокими физико-механическими показателями. Процесс формирования модифицированных полиуретанов изучали по кинетике изоцианатного полиприсоединения и гелеобразованию. Наблюдается рост константы скорости реакции при введении полиэфируретана тройного сополимера и различного типа КО модификаторов, различающихся химическим строением и пространственной конфигурацией, что связывают с увеличением содержания более активных в реакции изоцианатного полиприсоединения межмолекулярных ассоциатов гидроксильных групп, а также разным набором конформации молекул.

Характерно, что сочетание тройного сополимера и КО модификаторов разного строения в полиуретановых существенно улучшает относительную твердость пленок, прочность при разрыве с одновременной эластификацией. Все модифицированные полиуретаны обладают максимальными показателями прочности при ударе и изгибе. При совместном введении винилового сополимера и КО модификаторов в полиэфируретаны значительно снижается водородопоглащение (не превышает 3%) и улучшаются защитные свойства пленок.

Модифицированные уретановые эластомеры являются перспективными полимерами для получения на их основе армированных пленочных материалов, применяемых практически во всех отраслях промышленности. Армированные пленочные материалы на основе простых и сложных полиэфиров обладают высокими физико-механическими показателями, хорошей адгезией полимерного покрытия к основам различной природы и строения.[5]

4 Свойства полиуретана

Полиуретан характеризуется высокими физико-химическими и эксплуатационными свойствами. Это позволяет применять полиуретан во многих отраслях промышленности с высокими требованиями к свойствам материала.

Различные виды, которые имеет термопластичный полиуретан, появились на мировом рынке относительно недавно. но уже завоевали многочисленное признание. Они являются своеобразным связующим звеном между каучуками и пластмассами.

Важнейшее свойство, которым обладает полиуретан — высокая износостойкость, которая сочетается с не менее высокой масло-, бензо- и озоностойкостью. Полиуретан так же имеет превосходные демпфирующие, теплофизические и эластичные свойства. Изделия, для которых в процессе производства используют полиуретан, по своим свойствам превосходят аналогичные изделия из высококачественных резин.

Благодаря значительному увеличению долговечности и повышения качества изделий, полиуретан очень выгодно использовать.

Изменяя состав компонентов, и применяя различные технологии, можно изготовить полиуретан, обладающий различными свойствами. Посмотрим на характеристики и особенности, которыми обладает полиуретан по данным таблицы 4.1.:

Таблица 4.1. Особенности полиуретана

Показатель	Величина для различных марок полиуретана
Кажущаяся плотность, кг/м	18—300
Разрушающее напряжение, МПа, не менее	при сжатии 0.15—1.0, при изгибе 0.35—1.9
Теплопроводность, Вт/м·К	не более 0.019—0.03
Количество закрытых пор	не менее 85—95
Водопоглощение, объемные %	1.2—2.1

Полиуретан обладает рядом преимуществ по сравнению с другими теплоизоляционными материалами. Некоторые из них приведены ниже.

Благодаря этому, полиуретан применяется во многих производствах, что делает универсальным, многопрофильным материалом с очень большим потенциалом и огромными перспективами использования в будущем.

Полиуретановые эластомеры

Твёрдость, по Шору — 55—95 Sh A
Модуль упругости 100% — 1,6—26 МПа
Модуль упругости 300% — 2,4—35 МПа
Прочность на растяжение — 13—52 МПа
Удлинение при разрыве — 250—600 %
Прочность на раздир — 30—110 н/м
Эластичность по отскоку — 20—65 %
Истираемость — 20—130 мм3
Удельный вес — 1,1—1,25

Эластомеры — полиуретановые эластомеры представляют собой каучукоподобный материал. Высокая прочность, износостойкость, эластичность, абразивостойкость и ряд других качеств позволяют с большим эффектом использовать этот материал практически во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства взамен резины, традиционных пластмасс, а в ряде случаев, и металлов. Эластомеры обладают ценными качествами по сравнению со многими другими традиционными материалами.

Полиуретаны по сравнению с резинами характеризуются повышенной абразивной стойкостью и механической прочностью.[7]

Эластомеры по сравнению с пластиками имеют меньшую хрупкость, повышенную абразивную стойкость, более высокий срок службы.

Полиуретаны по сравнению с металлами обеспечивают снижение массы изделия, снижение шума при работе, менее интенсивное изнашивание, не подвержены коррозии.

Преимущества эластомеров:

высокая эластичность в диапазоне твердости 55 — 97 единиц Шора А;
высокая износостойкость;
хорошее воспроизведение формы после деформации;
высокая стойкость к динамическим нагрузкам;
высокие характеристики поглощения ударов и вибраций;
высокие масло-бензостойкость и атмосферостойкость;

5 Применение полиуретанов

Благодаря своей универсальности, полиуретан применяется практически во всех сферах промышленности, для изготовления самых разнообразных уплотнений, защитных покрытий, лакокрасочных изделий, клеев, герметиков, деталей машин (валов, роликов, пружин и т. п.), изоляторов, имплантатов и прочих изделий.

Также применяется во вспененном виде, благодаря тому что ряд реакций создания полиуретана сопровождается выделением газа.

5.1 Производство изделий из литьевых полиуретанов

Особенность полиуретанов - исключительно высокие физико - механические свойства, по некоторым параметрам превосходящие не только все типы резин, каучуков, но и металлы. Полиуретан придает изделиям такие полезные свойства, которые недостижимы для обычных резин.

Во-первых, это повышенное значение твердости (до 95 ед. по Шору А.), что позволяет использовать полиуретан для изделий, работающих с особо сильным механическим нагружением, например, для валов холодной прокатки или гибки стали.

Во-вторых, непревзойденная износостойкость и абразивная стойкость. Литьевые полиуретаны превосходят резины, пластики и металлы по своей абразивной стойкости в несколько раз.

В-третьих, при повышенной твердости полиуретан сохраняет высокую эластичность, предел деформации при разрыве обычно не менее 350%. Это обеспечивает очень высокое значение прочности - до 50 МПа.

В условиях постоянной динамической нагрузки верхним пределом высокой температуры эксплуатации полиуретанов является 120 0 С. Низкие температуры не оказывают особого влияния на свойства полиуретановых эластомеров до -70 0 С.

5.2 Футеровка валов

Под футеровкой принято понимать процесс отделки поверхности изделия специфическим защитным материалом, в качестве которого может выступать гомогенный или гетерогенный элемент, например полиуретан.

В качестве защитного слоя может также выступать резина, пластмасса, углепластик и любой другой защитный материал. Футеровка защищает готовые изделия от истирания и порчи поверхности даже при многократном использовании. Например, такие изделия как промышленные валы, которые используются в трубопрокатном производстве, полиграфии и любых других производственных циклах, нуждаются в надежной защите от истирания, которое пагубно влияет на качество выпускаемой продукции. Наибольшее значение в футеровке валов имеет такой универсальный и надежный материал, как полиуретан. Именно футеровка валов полиуретаном является самой выгодной при соотношении цена / степень защиты.

Полиуретан, как защитный материал, прочно связывается с поверхностью каждого валика и образует защитный слой от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, в зависимости от необходимой степени защиты от нагрузки.

Например, при использовании валов в качестве прокатной дорожки для небольшого производства (например производство полнотелого кирпича ), их футеровка выполняется при относительно небольшом слое в 5-10 миллиметров.

В тоже время, при использовании их в трубопрокатном производстве или для полиграфии, где возникают большие силы трения, футеровку валов необходимо выполнять особо прочным слоем полиуретана толщиной в несколько сантиметров.

Необходимо понимать, что во время каждого процесса футеровки, ее слой должен рассчитываться индивидуально для каждого изделия, будь то ведущий вал, манжеты, механизмы доменной печи или любые другие детали.[5]

5.3 Форполимеры уретановые

Предназначены для изготовления изделий и различных деталей машиностроения, работающих в интервале температур от –60 до +50°С, в листоштамповочном производстве для изготовления деталей и плит, а также в качестве антикоррозионного покрытия, устойчивого в условиях абразивного и гидроабразивного износа.

Изделия из форполимеров уретановых характеризуются повышенной износостойкостью, высокой прочностью, маслобензостойкость, устойчивостью к среде кислорода, озона. Форполимеры перерабатываются в изделия методом литья.

Форполимеры уретановые упаковывают во фляги, барабаны, стальные бочки или герметично закрывающиеся емкости. Гарантийный срок хранения - 6 месяцев со дня изготовления.

ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛИУРЕТАНОВ В КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛАХ

1 Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

История развития искусственных полимерных материалов началась со второй половины XIX века с получения резины.

С начала ХХ века искусственным путем стали получать новые высокомолекулярные вещества на основе веществ, заново полученными реакциями синтеза из полимеров.

В двадцатых и тридцатых годах получили промышленное применение мочевиноформальдегидные, полиэфирные и другие полимеры. Начиная с тридцатых годов, широко начали применяться методы полимеризации, и были получены полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат и др.

Начиная с 1955 г., производство полимерных материалов в мире удваивалось каждое пятилетие.

Развитие химической промышленности происходило быстрыми темпами, создавались и внедрялись новые эффективные и долговечные полимерные материалы, в частности полимерные материалы композитного типа.

Благодаря ценному комплексу технологических и эксплуатационных свойств, многообразию, специфичности, многофункциональности, способам получения, методам контроля состава, структуры, свойств, композиты представляют класс уникальных полимерных материалы.

Полимерные композиционные материалы имеют различные области применения: в технике, медицине, химической, мебельной, легкой промышленности, в строительстве.

В настоящее время разработаны полимерные композиты на основе разных полимерных материалов. Особой популярностью пользуются композиты на основе полиуретанов.

История возникновения полиуретанов началась в 30-е годы, когда Карозерс (США) провел исследования по синтезу полиамидов. На основании этих исследований в концерне "Фарбениндустри" (Германия) начались работы по созданию полимерных материалов, подобных полиамидам.

В 1950-1960 годы начинается развитие полиуретановой химии и производственных технологий. На рынке появляется полиэфир, что значительно расширяет спектр областей применения полиуретана.

В 1952-еБайер представляет эластомер Молтопрен из ТДИ (толуилендиизоцианат) и полиэфирных полиолов, а тремя годами позже регистрирует марку термопластических полиуретанов Десмопан.

В 1958 году компания пополнила свой портфель полиуретановыми покрытиями Десмодур и Десмофен (ДД- лаки), которые стали широко применяться в машиностроении.

В 1960-е годы стали временем инновационных открытий. Тогда были впервые произведены жесткие пенопласты с металлической облицовкой, известные сегодня как сэндвич-элементы (MVE).

Спрос на полиуретаны резко возрастает: годовой объем производства в мире увеличился с 200 тысяч тонн до одного миллиона. К этому времени на рынке уже присутствовал весь спектр компонентов продукта: от диизоцианатов, различных полиолов, катализаторов и порообразователей, до всевозможных аддитивов.

В 1970-1990 годыполиуретаны уже успели прочно войти в повседневную жизнь благодаря инновационным разработкам изобретателей. В 1971 году появляется еще один плод совместного труда химиков и инженеров – технология реакционно-литьевого формования (Reaction-Injection-Molding, RIM). Посредством введения реактивных полиуретановых компонентов в пресс-форму под давлением данная технология позволяла производить крупные детали за короткий цикл.

В 1980-е годы центральной темой становится производство полиуретанов со свойствами, настраиваемыми с учетом индивидуальных требований заказчика, например, регуляция уровня жесткости сидений автомобиля. Кроме того, на рынке появляются полиуретановые сырьевые материалы Bayhydrol® и Bayhydur® К, которые используются в производстве лаков на водной основе. Еще одна инновация – производство мягких пенопластов без использования фреона, разрушающего озоновый слой Земли, а также вязкоэластичных пен [2].

В СССР исследования в этом направлении были начаты в 60-х годах и велись в нескольких НИИ при Академии Наук СССР. В их числе Институт химии высокомолекулярных соединений АН УССР под руководством академика Ю. С. Липатова, Институт высокомолекулярных соединений РАН, Институт химической физики РАН, московский и казанский химико-технологические институты и некоторые другие. Первоначально, в СССР данные разработки носили в основном закрытый характер и только с 80-х годов стали применяться в народном хозяйстве.

Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или твёрдыми продуктами - от высокоэластичных мягких резин до жёстких пластиков и перерабатываются практически всеми существующими технологическими методами: экструзией, прессованием, литьем, заливкой.

Известны труды в области полимерных композиционных материалов отечественных и зарубежных ученых – В.А. Воскресенского, И.М.Елшина, А.Н. Бобрышева, В.Г. Микульского, И.А. Рыбьева. А.П. Прошина, Ю.Б.Потапова, В.П. Селяева, К. Гамского (Бельгия), Л. Кукача, Д. Дикоу, К. Селендера, Д. Фоулера (США), М. Кюбо и А.Поле (Франция), Х. Шульца, Е. Шпека, Р. Крайса, Х. Пешке (ФРГ), Р. Бареша и Л.Скупина (Чехия) и многих других [3].

Цель данной работы – показать универсальность полиуретана как материала, широко используемого в композиционных материалах.

Эта тема довольно актуальна, так как уникальные свойства этого материала позволяют применять его во многих отраслях народного хозяйства, рынок полиуретанов динамично растет, появляются новые композиционные материалы, где полиуретаны являются главным компонентом.

1. Полимерные композиционные материалы

Полимерные композиционные материалы – это высоконаполненные системы, полученные на основе синтетических смол или мономеров, наполнителей и заполнителей без применения минеральных вяжущих веществ и воды.

Существенно расширяет возможности полимерных материалов, особенно при использовании их в качестве конструкционных, многофункциональных, специальных с заданными свойствами, введение в полимер наполнителей различного состава и геометрии с образованием гетерогенных композиций, обладающих новыми свойствами, отличными от свойств исходных компонентов. При наполнении полимер образует (в идеальном гетерофазном материале) непрерывную фазу на технологической стадии, характеризуемую как связующее, на эксплуатационной - как матрица, а наполнитель – дисперсную или непрерывную фазу [4].

Правильный выбор полимерного связующего, наполнителей и заполнителей позволяет получать композиты с широкой гаммой свойств: особо легкие и особо тяжелые; с высокими диэлектрическими характеристиками или, наоборот, с хорошей электропроводностью и т.д.

Полимерные композиционные материалы могут содержать в своих составах помимо полимерных связующих и наполнителей, еще и отвердители, добавки-пластификаторы, стабилизаторы, красители.

В настоящее время полимерные композиционные материалы широко применяются в строительстве. Широкое применение полимерных композиционных материалов в строительстве обусловлено не только высокой химической стойкостью, хорошими прочностными характеристиками, привлекательными декоративными свойствами, но и сравнительной простотой изготовления, технологичностью, универсальностью свойств, возможностью направленного регулирования структуры и свойств композитов[5] .

В зависимости от содержания наполнителей и заполнителей полимерные композиционные материалы подразделяются на пасты, мастики, растворы и бетоны.

В зависимости от вида связующего полимерные композиты подразделяются на композиты на основе термореактивных смол и на основе термопластичных полимеров.

Композиционные материалы, предназначенные для несущих строительных конструкций, изготавливают, в основном, на основе термореактивных смол, а композиты для защитных и декоративных облицовок, как правило, - на основе термопластичных полимеров.

Основные свойства полимерных композиционных материалов определяются химической природой полимерного связующего, видом и концентрацией дисперсного наполнителя [6].

Вывод: благодаря своим многочисленным технологическим и эксплуатационным свойствам полимерные композиционные материалы представляют класс материалов, определяющий прогресс в развитии всех отраслей техники.

Полиуретан как композиционный материал.

Полиуретан - это уникальный синтетический полимерный материал. Полиуретан - "материал с неограниченными возможностями" состоит главным образом из двух типов сырья, изоцианата и полиола, которые получают из сырой нефти. При смешивании двух готовых к переработке жидких компонентов системы, которые содержат различные вспомогатель-ные средства (катализаторы, вспениватель, стабилизаторы и т.д.), образуется реакционно-способная смесь[7].

Полиуретаны – гетероцепные полимеры, содержащие незамещенные и замещенные уретановые группы —N(R)—С (О) О— (R = Н, алкил, арил или ацил). Количество уретановых групп зависит от молекулярной массы полиуретана и соотношения исходных компонентов[8]. В результате взаимодействия изоцианатов с гликолями образуется линейный полиуретан, содержащий в основной цепи макромолекул характерные уретановые группы[9]. Линейные полиуретаны – твердые аморфные или кристаллизующиеся полимеры; молекулярной массой (10-50)103; практически полностью растворяется в высокополярных растворителях.

Изоцианаты обладают уникальной реакционностью испособностью ко многим химическим связям. Данная специфика основного мономера определяет разнообразие химических связей в цепях и химических превращений полиуретанов. Это дает возможность получать материалы с самыми разнообразными свойствами в рамках одного класса полимеров (полиуретанов) [10].

Полиуретаны обладают многочисленными разнообразными свойствами. Свойства полиуретанов зависят от природы и длины участков цепи между уретановыми группировками, от структуры материала – линейная или сетчатая, молекулярной массы, степени кристалличности. Свойства полиуретанов изменяются в очень широких пределах. Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями или твёрдыми аморфными или кристаллическими веществами, жесткость которых простирается от упругости высокоэластичных мягких резин до твердости жёстких пластиков: твёрдость по Шору от 15 по шкале А до 60 по шкале D.Наибольший практический интерес представляют полиуретановые эластомеры, которые характеризуются высокими значениями прочности и сопротивления раздиру, хорошими диэлектрическими свойствами, износостойкостью, устойчивостью к набуханию в различных маслах и растворителях, а также озоно- и радиационностойкостью. Они водостойки, проявляют высокую стойкость к микроорганизмам и плесени.

По некоторым физико-механические параметрам полиуретаны превосходят не только все типы резин, каучуков, но и металлы. Полиуретан придает изделиям ряд полезных свойств, недостижимых для обычных резин[12].

Во-первых, это повышенное значение твердости, что позволяет использовать полиуретан для изделий, работающих под особо сильными механическими нагрузками, например, для валов холодной прокатки или гибки стали.

В-третьих, при повышенной твердости полиуретан сохраняет высокую эластичность: предел деформации при разрыве обычно не менее 350%. Это обеспечивает очень высокое значение прочности: до 50 МПа. В условиях постоянной динамической нагрузки верхним пределом температуры эксплуатации полиуретанов является 120° С. Низкие температуры не оказывают особого влияния на свойства полиуретановых эластомеров вплоть до -70 °С.[13] Литьевая технология формования деталей из полиуретана позволяет получать изделия практически любой формы и размеров, недоступных для формирования резиновых изделий. Высокая стоимость резинотехнических изделий позволяет полиуретанам конкурировать с резиной и в ценовом плане. Полиуретановые эластомеры имеют отличную стойкость к маслам и растворителям и подходят для работы со смазочными маслами, нефтью и ее производными, но эксплуатация изделий из полиуретанов показывает, что они очень быстро разрушаются при воздействии ацетонов, азотной кислоты, соединений содержащих большой процент хлора (соляная кислота, жидкий хлор), формальдегида, муравьиной и фосфорной кислоты, скипидара, толуолах[14].

К недостаткам полиуретанов можно отнести и невысокую стойкость при повышенных температурах к действию щелочей, накопление остаточных деформаций под действием длительных нагрузок, резкую зависимость физико-механических свойств от перепадов температуры.

Структуру и свойства полиуретанов можно менять в широких пределах путем подбора соответствующих исходных веществ. Они относятся к числу тех немногих полимеров, у которых можно направленно регулировать число поперечных связей, гибкость полимерных молекул и характер межмолекулярных взаимодействий. От гибкости макромолекулы зависят эластичность и жесткость, морозостойкость и теплостойкость, физическое состояние полиуретана при заданной температуре и другие свойства.

Это дает возможность получать из полиуретанов самые разнообразные материалы – синтетические волокна, твердые и мягкие эластомеры, жесткие и эластичные пеноматериалы [15].

Формирование свойств конечного продукта определяется на стадии выбора исходных соединений для получения полиуретана, на стадии синтеза полиуретана, а также на стадии формования конечного изделия. Это объясняет столь широкий спектр свойств изделий из полиуретана и широкое применение этого материала в промышленности. Переработку компонентов исходного сырья в изделие из полиуретана производят смешиванием преполимера (изоцианата) и удлинителя цепи молекул. В состав полиуретанового эластомера входит некоторое количество химических сшивок и веществ-модификаторов, целенаправленно придающих необходимые технологические и потребительские свойства.

Сегодня на российском рынке представлен полиуретан как отечественного производства, так и импортного (среди стран-поставщиков – Китай, США, Германия, Италия). Наиболее распространенными отечественными марками ПУ являются СКУ-7Л и СКУ-ПФЛ-100, Лур – 90, ЛУР-СТ (ЛУР-СП), отличающиеся друг от друга такими характеристиками, как твердость полиуретана по Шору, показателем сопротивления раздиру, пределом прочности при растяжении и прочими характеристиками.

Читайте также: