Полиуретаны. Структура и строение

Полиуретан – это синтетический полимер, сырьём для изготовления которого, служит полиол, получаемый из сырой нефти. Впервые полиуретаны были получены в 1937 году ученым Байером Отто Георгом Вильгельмом, использовавшим для синтеза взаимодействие диизоцианатов с различными гидроксилсодержащими соединениями.
Образование полиуретанового полимера путём реакции между диизоцианатом и полиолом

Структура и строение
Полиуретаны — гетероцепные полимеры, макромолекула которых содержит незамещённую и/или замещённую уретановую группу —N(R)—C(O)O—, где R = Н, алкилы, 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.

Линейный полиуретан, синтезированный из соединения с двумя ОН-группами НО-R-OH и диизоцианата OCN-R’-NCO, имеет строение:
При увеличении числа функциональных групп в молекулах одного или обоих компонентов до трех или более получаются разветвленные или сшитые полимеры.

Получение
Реакций присоединения полиолов:
Вначале из диола и диизоцианата формируются бифункциональные молекулы изоцианата, имеющие группу (—N=C=O) и гидроксильные группы (—ОН).

В реакционную смесь добавляют незначительное количество воды, и в результате прохождения реакции с частью изоцианатных групп образуется углекислый газ, который и является основным фактором вспенивания. В то же время, первичная аминогруппа вступает в реакцию с изоцианатом, замещая мочевину, тем самым достигается устойчивость цепи.
Реакция полиизоцианатов с водой:

Свойства
В зависимости от соотношения компонентов, вступающих в реакцию полимеризации, он может быть: Жёстким;
Мягким;
Ячеистым (вспененным), в качестве вспенивающего агента используется диоксид углерода. Чем его больше, тем полимер мягче;
Монолитным, с плотной износостойкой структурой. Используется, например, для изготовления колёс для роликовых коньков.
Полиуретаны могут быть вязкими жидкостями, находиться в аморфном состоянии или быть твёрдыми веществами. Они обладают уникальными характеристиками:
Устойчивостью к действию кислот, органических и минеральных масел, бензина;
Низкой теплопроводностью;
Долговечностью;
Высокими диэлектрическими параметрами;
Выдерживают высокое рабочее давление.

Полиуретаны отличаются высокими прочностными характеристиками и широким температурным диапазоном эксплуатации — от −60 °С до +80 °С.
Приведем некоторые свойства полиуретанов:
Высокая степень твердости — позволяет использовать этот материал при сильных механических нагрузках.
Высочайшая износостойкость, в том числе абразивная стойкость (устойчивость к воздействию абразивов твердых материалов, использующихся для шлифовки, полировки и другой обработки поверхностей).
Высокая эластичность при высокой твердости.
Значение прочности — до 50 МПа — обеспечивает невероятную устойчивость к деформациям.

Преимущества и недостатки полиуретана
К общим плюсам полиуретана можно отнести следующие качества:
Низкая масса, дающая возможность уменьшения веса изделий.
Устойчивость к атмосферным воздействиям и различным химическим веществам.
Диэлектрические свойства.
Программируемый коэффициент трения — возможность изготовления материала с необходимым коэффициентом трения — от очень низкого до очень высокого.
Способность к удлинению до 650%.
Высочайшая долговечность, эластичность, упругость, твердость и прочность.
К абсолютным минусам полиуретана относится трудность с переработкой его отходов.

На данный момент полиуретан является одним из самых востребованных полимеров в крупнейших сегментах промышленности. По оценкам компании Labyrinth Research&Markets, в 2015 году мировой объем производства полиуретана составил 21,3 млн тонн. Согласно их прогнозу, к 2020 году эта цифра достигнет 30 млн тонн. В России объем рынка полиуретана в 2014 году составил 270 тыс. тонн, из которых 150 тыс. тонн — импорт, 120 тыс. тонн — собственное производство. При этом 84% пришлось на вспененный полиуретан (38% — жесткий, 46% — мягкий). Наибольший спрос приходится на мебельную промышленность (34%), автопром (22%), строительство (22%), трубопроводный транспорт (8%), холодильную промышленность (7%).

Применение
Сферы применения полиуретана разных форм:
Жидкий и в виде спрея:
покрытие поверхностей бетона, кузовов, люков, резервуаров, тоннелей;
гидроизоляция крыш, изготовление лакокрасочных изделий, клеев, герметиков;
изготовление форм для литья из бетона, гипса, воска, в том числе для производства небольших скульптур, декора и архитектурных элементов.
Пенополиуретаны — изготовление пористых утеплителей, наполнителей.
Листовой — производство футеровочных элементов, прессовых штампов, опорных поверхностей роликов, валиков, колес.
Применение в отраслях промышленности:
Тяжелая (амортизирующие прокладки для станков и агрегатов).
Строительная (вибростойкие полы, антискользящие покрытия, фасадные системы).
Автомобильная (шины, сайлентблоки, валы, ролики, пружины, втулки, подшипники, маслостойкие детали и пр.).
Мебельная (изготовление матрасов, крепежных элементов).
Текстильная и обувное производство (коврики, искусственные кожи, подошвы).