Polyuretan (PU/PUR): definice, vlastnosti, výroba a použití

Polyuretan (PU/PUR): definice, vlastnosti, výroba a použití — přehled o typech pěn, elastomerů, izolacích, lepidlech a průmyslových i domácích aplikacích.

Polyuretan je polymer. Jeho název se často zkracuje na PU nebo PUR. Polyuretan se skládá z organických jednotek, které jsou spojeny uretanem. Polyuretanové polymery vznikají postupnou růstovou polymerizací. Při tomto procesu reaguje monomer obsahující nejméně dvě izokyanátové funkční skupiny s jiným monomerem obsahujícím nejméně dvě hydroxylové (alkoholové) skupiny za přítomnosti katalyzátoru.

Polyuretan je k dispozici v různých stupních tuhosti, tvrdosti nebo hustoty. Příklady takových materiálů jsou:

• Pružná pěna s nízkou hustotou používaná v čalounění
• Tuhá pěna s nízkou hustotou používaná pro tepelnou izolaci a jádra RTM
• Měkké pevné elastomery používané pro gelové podložky a tiskové válečky
• Elastomery s nízkou hustotou používané v obuvi
• Tvrdé pevné plasty používané jako rámečky elektronických přístrojů a konstrukční díly

Polyuretany se široce používají v pružných pěnových sedadlech s vysokou pružností, v izolačních panelech z tuhé pěny, v těsněních a těsnicích kroužcích z mikrobuněčné pěny, v odolných elastomerových kolech a pneumatikách, v pouzdrech automobilových závěsů, v elektrických zalévacích hmotách, ve vysoce výkonných lepidlech a těsnicích materiálech, ve vláknech Spandex, v těsněních, v těsnicích kroužcích, v podložkách pod koberce a v dílech z tvrdých plastů.

Polyuretanové výrobky se často nazývají "uretany". Neměly by být zaměňovány se specifickou látkou uretan, známou také jako ethylkarbamát. Polyuretany se z etylkarbamátu nevyrábějí ani ho neobsahují.

Chemie a syntéza

Polyuretany vznikají reakcí izokyanátů (–N=C=O) s polyoly (molekuly s více –OH skupinami). Nejčastěji používané izokyanáty jsou aromatické (např. toluendiisokyanát – TDI, diphenylmethandiisokyanát – MDI) a alifatické izokyanáty pro aplikace s vyšší barevnou stálostí. Polyoly mohou být typu polyesterového nebo polyetherového; jejich volba ovlivňuje mechanické a chemické vlastnosti výsledného polyuretanu.

Kromě základních složek se do formulací přidávají:

• řetězové prodlužovače a vytvrzovadla (dioly, diaminy) pro zvýšení tuhosti nebo síťování,
• katalyzátory (organické aminy, organické a anorganické kovy jako tin),
• pěnotvorné činidla (voda reagující s izokyanátem produkuje CO2, nebo fyzikální pěnící činidla),
• stabilizátory, plniva, barviva, retardéry hoření a další přísady.

Způsoby zpracování

Polyuretany lze zpracovávat mnoha technologiemi podle požadovaného typu produktu: lití pěn, formování v bloku (slabstock) a řezání, vstřikování reakční injekcí (RIM), stříkání pěn (spray foam), výroba termoplastických polyuretanů (TPU) v extruzích a vstřikování, aplikace nátěrů a zalévání (potting). Pro pěnové systémy jsou běžné i technologie tvorby pěny s integrální kůrou (integral skin).

Vlastnosti

Polyuretany nabízí široké spektrum vlastností:

• mechanické: vysoká pružnost, dobrá odolnost proti oděru a rázům; pevnost a tuhost lze upravovat složením,
• tepelně izolační: zejména tuhé pěny mají vynikající izolační vlastnosti (nízká tepelná vodivost),
• chemická odolnost: obecně dobrá vůči olejům a tukům, odolnost vůči rozpouštědlům závisí na typu polyolu a izokyanátu,
• elektrické vlastnosti: dobré dielektrikum, často používáno v elektroizolačních aplikacích,
• optické a povrchové: aromatické polyuretany mohou žloutnout při UV zatížení, pro exteriérové nátěry se používají alifatické typy,
• hořlavost: většina polyuretanů je hořlavá; do formulací se často přidávají retardéry hoření.

Hlavní typy polyuretanů

• pružné pěny (flexible foam) – sedadla, matrace, čalounění, tlumení nárazů,
• tühé pěny (rigid foam) – izolační panely, sendvičové konstrukce, jádra kompozitů,
• elastomery – kolečka, ložiskové pouzdra, těsnění, sportovní komponenty,
• termoplastické polyuretany (TPU) – pružné, zpracovatelné opakovaně (vstřikování, extruze), používají se v obuvi, hadicích, kabelových izolacích, 3D tisku,
• nátěry, lepidla a tmel – vysoce výkonné povrchové systémy s vynikající přilnavostí, chemickou a mechanickou odolností,
• vlákna (Spandex/Elastan) – pružné textilní vlákno v oděvním průmyslu.

Aplikace (přehled)

Polyuretan má extrémně široké uplatnění v průmyslu i v běžném životě: nábytek a matrace, automobilový průmysl (sedadla, povrchy, těsnění, tlumiče vibrací), stavebnictví (izolace, lepidla, nátěry, těsnění), obuvnictví (mezipodešve), elektrotechnika (zalévání, izolace), sportovní vybavení, zdravotnictví (některé lékařské implantáty a hadičky z lékařských PU), balení a kompozitní díly pro letectví a lodní průmysl.

Bezpečnost a environmentální aspekty

Výroba a zpracování polyuretanů zahrnuje látky, které mohou být nebezpečné: izokyanáty jsou dráždivé a mohou způsobit senzibilizaci dýchacích cest; při nesprávném provozu hrozí riziko expozice parám a aerosolem. Při práci s izokyanáty je nutné používat vhodné osobní ochranné prostředky a větrání.

U polyuretanových pěn je důležité řídit použití pěnotvorných činidel (historicky se používaly látky poškozující ozonovou vrstvu, dnes jsou nahrazeny šetrnějšími alternativami) a retardérů hoření. Polyuretany obecně nejsou snadno biologicky rozložitelné, proto je důležité řešit jejich odpad a recyklaci.

Recyklace a alternativy

Recyklace polyuretanů může být mechanická (přemletí, rebondované pěny), chemická (glykolýza – depolymerace pomocí glykolů, hydrolytické nebo aminolytické rozklady) a energetické využití (spalování s využitím energie). Výzkum se zaměřuje na efektivnější chemické recyklační metody a na využití bio‑základu polyolů (ze sóji, řepky, ricinového oleje) pro snížení uhlíkové stopy a závislosti na fosilních surovinách.

Výběr materiálu a údržba

Při volbě polyuretanu pro konkrétní aplikaci je třeba zvážit mechanické namáhání, teplotní rozsah, expozici UV a chemikáliím a požadavky na povrchovou úpravu. Nátěry a aditiva mohou výrazně prodloužit životnost nebo upravit vlastnosti (např. odolnost proti povětrnosti, barva, protiskluznost).

Závěr

Polyuretan je velmi univerzální materiál poskytující rozsáhlé možnosti úprav vlastností a zpracování. Díky kombinaci vysoké pružnosti, dobré odolnosti a možnosti přesného přizpůsobení formulace je nezastupitelný v mnoha odvětvích průmyslu. Současné výzvy spočívají v bezpečném zacházení s rizikovými surovinami, v minimalizaci environmentálních dopadů a v rozvoji efektivních metod recyklace a použití obnovitelných surovin.

Otázky a odpovědi

Otázka: Co je to polyuretan?

Otázka: Jak se polyuretan vyrábí?

Otázka: Jaké jsou příklady výrobků, ve kterých se používají polyuretany?

Otázka: Je uretan totéž co polyuretan?

Otázka: Existují ještě jiná použití polyuretanů než ta, která jsou uvedena výše?

Otázka: Zahrnuje výrobní proces polyuretanů nějaké katalyzátory?

Hledání podle dopisu