Утепление и гидроизоляция объектов любой сложности по всей России
Заказать звонок
+7 (495) 933-14-05
8:00-22:00, Без выходных

Как получается пенополиуретан (ППУ)

Как получается пенополиуретан?

В данной статье приводится информация, раскрывающая природу химической реакции образования пенополиуретана, составляющие компоненты напылительной системы, а также функции добавок в составе этих компонентов.

Сырье представляет собой два компонента – «А» (полиольный компонент) и «Б» (изоцианат).

вспенивание ппу

В данных композициях изоцианатный компонент «Б» является, как правило, не варьируемой составляющей, ввиду ограниченности спектра соединений, содержащих –NCO-группы. Наиболее эффективными с точки зрения химической связываемости с гидроксильными группами являются следующие соединения:

Существует ряд химически активных ароматических изоцианатов, содержание –NCO-группировок в которых позволяет осуществить синтез эластомеров очень высокого молекулярного веса. К ним относится толуилендиизоцианат; поскольку метильная группа ориентирует заместители в орто- и пара-положения, существует два типа изомеров (2,6-толуилендиизоцианат и 2,4-толуилендиизоцианат) отличающиеся не только строением, но и прикладными свойствами эластомеров на их основе.

Положение изоцианатных групп влияет на их реакционную способность: 4-NCO (2,4-изомер) > 2-NCO и 6-NCO (2,6-изомер) > 2-NCO (2,4-изомер).

При 38 °C соотношение скоростей реакции составляет 8:3:1. Таким образом, 4-NCO-группа будет вступать в реакцию предпочтительнее. Стерически насыщенный 2,6-изомер, реагируя с полиолом, дает более жесткую пену, чем 2,4-изомер.  Высокая токсичность данного соединения делает его крайне неудовлетворительным с точки зрения нормирования по безопасности.

Ароматический аналог ТДИ с двумя ароматическими кольцами – метилендифенилдиизоцианат – имеет так же три варианта расположения –NCO-групп и их положение по отношению к метиленовому «мостику» влияет на их реакционную способность. Два варианта ниже содержат изоцианатную группу в орто-положении и в данной позиции она в 4 раза менее реакционноспособна, чем изоцианатная группа в пара-положении.

Таким образом, оптимальным источником –NCO-групп для получения композиций эластомеров с точки зрения требований по кинетике и реакционной способности, а также экологической безопасности является биароматический изомер с обеими –NCO-группами в пара-положениях.

Соединение имеет линейную структуру (вследствие стремления молекулы обеспечить максимальную ненапряженность связей, -NCO-группы отталкиваются, разворачивая молекулу в линейную форму), что обеспечивает отсутствие стерических затруднений для конденсации с полиолом фактически произвольной конформации (к примеру, реакция с этиленгликолем).

По результатам анализов выясняется, что исследуемые пробы, взятые с партий произведенного метилендифенилдиизоцината, не являются индивидуальным органическим соединением определенного состава, а представляет собой форполимер. По способу получения исследуемые пробы являются химически модифицированными амино-альдегидными смолами, в которых только боковые цепи главной полимерной цепи изменены химическим воздействием, и не относятся к привитым сополимерам. Поэтому, является очевидным тот факт, что компонент «Б» всегда представляет собой смесь гомологов и изомеров с превалирующим содержанием целевого МДИ.

Составы компонентов «А» имеют значительно больше варьируемых реагентов. Фактически, всё влияние на свойства композиции осуществляется последствием изменения состава компонента.

В состав компонента «А» входят сложный полиэфир и один или несколько простых полиолов (а так же набор дополнительных добавок). Сложные полиэфиры, содержащие в составе ненасыщенные составляющие, при сополимеризации с ненасыщенными мономерами образуют неплавкие и нерастворимые эластомеры пространственного строения. Степень сшивания такого соединения, а, следовательно, и его свойства, можно регулировать, варьируя количество двойных связей (sp2-гибридных атомов углерода) в самом полиэфире.

В рабочих составах выгодно использовать фталатные олигоэфиры, которые представляют собой сложные олигоэфиры с концевыми гидроксильными группами на основе фталевого ангидрида и многоатомных спиртов, поскольку обладают низкой вязкостью при 25 ºС, обеспечивают повышенную термо- и огнестойкость пенополиуретанам. Гидроксильное число используемых марок полиэфиров (мг КОН/г) должно соответствовать содержанию –NCO-групп диизоцианата в приблизительно эквивалентном соотношении на единицу объема.

Простые полиолы являются регулирующим звеном в отношении содержания гидроксильных групп в композиции и вязкости системы. Полиолы - продукты щелочной или алкоголятной полимеризации окиси пропилена (или этилена) с глицерином с последующей очисткой.

Ключевой составляющей в компоненте «А» является вспениватель. С химической точки зрения в качестве пенообразующего агента могут использоваться хладоны (фреоны) или вода. Вода обладает пенообразующей способностью, но при этом меняется соотношение компонента А к компоненту Б с 1:1,1 до 1:1,4-1,6. При использовании воды в качестве вспенивателя, при соотношении 1:1,1 происходит усадка пены, это связано с нехваткой изоцианатных групп для образования уретановых связей. Поэтому соотношение увеличивают до 1:1,4-1,6 для получения изделий методом заливки. Для нанесения ППУ методом напыления соотношение может доходить до 1:1,8 для получения пены нужной плотности и хорошей адгезии к поверхности.

По этим причинам, фактически безальтернативным является использование для данного цели фреона. Испытанными являются два типа хладонов: фреоны R141b и R-365/227. При соприкосновении с пламенем и горячими поверхностями R141b разлагается с образованием высокотоксичных продуктов, поэтому согласно экологическим стандартам, данный хладон не разрешён к ввозу.

В состав фреона R-365 входят 1,1,1,3,3-пентафторобутан, но данное соединение само по себе огнеопасно, поэтому существует необходимости смешения его с собственным фторзамещенным гомологом.

Таким образом, вспениватель представляет собой смесь из 1,1,1,3,3-пентафторобутана и 1,1,1,2,3,3,3-гептафторопропана. Это понижает его температуру кипения, но увеличивает давление пара при различных температурах и лишает огнеопасности.

Промежуточные испытания композиций показывают, что использование в составе хладона R-365/227 даёт более предпочтительные результаты, нежели хладона R-141b. В частности, отмечается отсутствие сверхсильного разогрева пены, которое в случае R-141b приводило к обугливанию получаемого материала.

Остальные добавки в компоненте «А» несут кинетические и функциональные значения (катализаторы, стабилизаторы, а также TCPP (трихлорпропилфосфат) – антипирен).

Переработка сырья осуществляется через машину высокого давления. Ключевой момент переработки – смешение компонентов должно осуществляться в объемном соотношении, близком к 1:1 непосредственно в головке смесителя. Реакция взаимодействия происходит практически мгновенно, потому конструкционно машина основывается на принципе подачи компонентов в равных объемах. Для достижения этой цели используется высокое давление, а каналы машины разрабатываются с одинаковыми характеристиками.

Тем не менее, компоненты «А» и «Б» значительно различаются с точки зрения физико-химических свойств и природы веществ. Синхронизирование привода само по себе не позволяет подать одинаковые количества компонентов «А» и «Б». Полиол (полиэфир) и изоцианат имеют разную кинематическую вязкость (ТУ 5775-001-61554764-16). Имеется теоретическая возможность получения состава компонента «А», который имел бы такую же вязкость, что и изоцианат, но процесс создания такой композиции сложно совместить с получением пены заданных характеристик (фокус при разработке должен делаться на свойства продукта, а не на второстепенный показатели), кроме того процесс длительный и ресурсоёмкий.

Отправьте нам заявку