Пенополиуретан
Пенополиуретаны, или ППУ – полимерные материалы с ячеистой структурой. Когда полиол (компонент А) смешивают с изоцианатом (компонент Б), получается полиуретан. До того, как он затвердеет, к нему добавляют вспениватель, например, воду или фреон. Застывшую пену называют пенополиуретаном. Свойства ППУ определяются:
- Структурой исходных соединений;
- Типом пористости: открытый или закрытый;
- Добавками и присадками;
- Вспенивателем.
Влияние исходных компонентов на свойства ППУ
Свойства пенополиуретанов зависят от химического строения исходных веществ.
Ключевым звеном в полиуретановой цепи является уретановый фрагмент, который образуется при взаимодействии гидроксильной группы [-OH] с изоцианатом:
Заместители в полиолах и изоцианатах представлены разными химическими группами.
Известно, что усиление прочностных характеристик полиуретана достигается включением в его структуру ароматических фрагментов.
Жесткость и упругость ППУ регулируют, используя разные изоцианаты и их смеси в различных соотношениях. Технические параметры пенополиуретанов зависят от добавок, таких как соединения бора, брома, хлора, катализаторы полимеризации и другие вещества. С их помощью можно придать ППУ огнестойкость или жесткость.
В целом, чем меньше изоцианатных групп в компоненте, тем ППУ легче и тем он менее жесткий. Для придания материалу таких свойств используют компоненты с большой молекулярной массой. В этом случае количество центров полимеризации будет меньше и полимер будет менее плотный.
На свойства пенополиуретанов также влияет процентное отношение между полиолом и изоцианатом, тип вспенивателя и качество смешивания исходных реагентов. Присутствия изоцианатов в конечном продукте опасаться не нужно: эти вещества полностью расходуются в реакциях, а избыток превращается в безопасные уретановые соединения. Если ППУ используют для заливки, то с водным вспенивателем полиол и изоцианат берут в соотношении 1:1,5 или 1:2, поскольку при водном вспенивании часть изоцианата взаимодействует с водой с образованием углекислого газа. Следовательно, Компонента Б требуется больше.
В случае фреонового вспенивателя компоненты А и Б смешивают соответственно в соотношении 1:1,1 по объему. Если пенополиуретан предполагается напылять на поверхность, то соотношение меняется на 1:1 и не зависит от типа вспенивателя. Точное соотношение компонентов обычно указывают в инструкции.
Метод заливки ППУ заключается в смешивании компонентов ППУ и их заливки в форму. В ходе реакции осуществляется вспенивание. При изготовлении труб ППУ формой для заливки служит межтрубное пространство между трубой и защитной оболочкой. В этом случае важно правильно рассчитать количество компонентов ППУ для заливаемого объема.
На качество смешивания влияет температура, при которой реагируют вещества. Поэтому при формировании ППУ важно соблюдать температурные условия реакции.
Пористость пенополиуретанов
Пенополиуретаны делятся на открытоячеистые и закрытоячеистые. У открытоячеистых ППУ поры сообщаются между собой: по сути это сетка, заполненная воздухом.
Рис. 1. Открытоячеистый и закрытоячеистый ППУ.
Открытоячеистые ППУ мягкие, упругие, хорошо впитывают жидкости, поглощают звук и дешевле закрытоячеистых. Из них изготавливают шумоизоляцию помещений. Плотность открытоячеистых ППУ не превышает 40 кг/м3, они легко мнутся и удерживают тепло хуже, чем закрытоячеистые. Самый известный открытоячеистый ППУ – поролон. Его и подобные ему ППУ используют в качестве шумоизоляции, наполнителя мягкой мебели и автомобильных сидений, накладок на микрофоны и наушники, на его основе изготавливают губки для посуды, фильтры, противоударную защиту для хрупких товаров. Открытоячеистые ППУ подходят для теплоизоляции легких конструкций, не рассчитанных на механические нагрузки, значительные перепады температур и высокую влажность. От давления, морозов, жары и влаги защищают закрытоячеистые ППУ.
Закрытоячеистые пенополиуретаны состоят из замкнутых ячеек, заполненных газом. Их плотность может достигать 100 кг/м3. Эти жесткие прочные материалы хорошо выдерживают перепады температуры и механические нагрузки. Их используют для теплоизоляции подземных трубопроводов, стен зданий и других подобных объектов.
Влияние вспенивателя на свойства пенополиуретана
Теплоизоляционные свойства ППУ определяются типом вспенивателя. Пенополиуретан на 85-90% состоит из газа, заполняющего ячейки, и на 10-15% — из полиуретана. У открытоячеистых пенополиуретанов в ячейках содержится воздух, у закрытоячеистых, в зависимости от процедуры вспенивания — углекислый газ или фреон. От характеристик газа зависят теплоизолирующие свойства ППУ.
Сперва рассмотрим некоторые основные требования ГОСТ 30732-2020 к пенополиуретановой изоляции труб (таблица 1).
Таблица 1
| Показатель | Характеристика | Нормативный документ |
|---|---|---|
| Плотность среднего слоя ППУ | Не ниже 60 кг/м3 | ISO 14896 |
| Прочность ППУ на сжатие при 10% деформации в радиальном направлении | Не ниже 0,3 МПА |
|
| Водопоглощение ППУ при кипячении в течение 90 минут | Не более 10% по объему | ГОСТ 34358-2017, ISO 15028: 2014 |
| Теплопроводность ППУ до старения | Не более 0,033 Вт/(м·× °С) при средней температуре 50 °С |
|
Из требований к плотности пенополиуретана вытекает, что для изоляции труб допустимо использовать только закрытоячеистые ППУ с минимальными показателями теплопроводности.
Теплопроводность ППУ с водным вспенивателем находится в интервале 0,027–0,032 Вт/(м•К), с фреоновым — около 0,022 Вт/(м•К), поэтому для изоляции труб допустимо использовать любой вспениватель ППУ.
И хотя начальная теплопроводность ППУ с углекислым газом в ячейках примерно на 5% выше, чем у полиуретанов на фреоновом вспенивателе, однако по истечению 4-5 лет коэффициент теплопроводности обоих видов ППУ принимает одинаковое значение.
В заключение
Несмотря на высокие показатели эффективности фреонов в качестве вспенивающих агентов, ежегодно их потребление во всем мире должно сокращаться. Это связано с их озоноразрушающими свойствами.
На сегодняшний день все большее распространение получает метод водного вспенивания, как наиболее безопасного, технологичного и безвредного для человека и окружающей среды способа получения пенополиуретанов.
Однако независимо от способа вспенивания, жесткие ППУ являются одним из самых эффективных материалов для изоляции трубопроводов — они позволяют трубам отлично удерживать тепло при отрицательных температурах и выдерживать значительные механические нагрузки.
