Прочность на сжатие и растяжение полиуретана

Часть вторая, полиуретановые
эластомеры.

Как понятно из написанного выше,
физико-механические свойства у полиуретанов могут быть принципиально разные.
Поскольку я все-таки занимаюсь производством автозапчастей из полиуретановых
монолитных эластомеров, и статья посвящена именно этому, попробуем описать
“общие” свойства именно для этого класса полиуретанов. Тут надо
заметить, что производителей базовых компонентов полиуретанов – считанные
единицы в мире, поэтому принципиальных отличий в физмехе у добросовестных
переработчиков практически нет, и, скажем, американский, японский, или
австралийский полиуретан по физмеху не сильно отличается от нашего.

Итак, в общем нас интересуют следующие
физико-механические свойства:

• Твердость. Физический смысл – способность материала сопротивляться внедрению в него другого материала. В случае автозапчасти от твердости зависит в первую очередь деформация детали при приложении к ней силы. Объективно больше твердость – сильней связь деталей между собой, меньше гашение вибраций, больше нагрузка на металл. Обычно в автомобильной промышленности используют резины с твердостью 65-70 по Шору А, это связано во многом с тем, что резина резко теряет прочность на разрыв при повышении твердости. Переработчики полиуретанов могут в довольно широких пределах менять твердость изготавливаемых запчастей без существенного ущерба для других свойств. Мы изготавливаем детали с цветовой маркировкой: оранжевые – 71А, зеленые – 80А, синие – 87А, ну и по запросу либо в специальных изделиях – до 98А.

• Усилие на разрыв.Тут все понятно из названия – усилие, которое необходимо приложить для разрыва материала. По этой характеристике полиуретан существенно выигрывает почти у всех марок резин. Так, максимум для ГОСТовых марок – менее 36 Н/мм2, у нашего полиуретана – 47 Н/мм2. Именно это позволяет полиуретановым деталям выдерживать бОльшие нагрузки без разрывов, что в свою очередь дает бОльший ресурс.

• Усилие на раздир. Отличается от усилия на разрыв наличием надреза/надсечки – концентратора напряжений при растяжении детали. Крайне важный показатель для деталей сложней втулки, особенно использующихся в не до конца закрытых металлом местах. Для большинства материалов, включая полиуретан, в разы и на порядки ниже усилия на разрыв.

• Остаточная деформация.Способность материала восстанавливаться после длительной постоянной нагрузки в одном направлении. Обычно при прочих равных обратно пропорциональна твердости – чем тверже материал, тем сложней его смять, но тем хуже он восстанавливает начальную форму. Остаточная деформация есть у всех материалов, включая сталь, но для эластомеров она крайне важна: у долго стоящей на одном месте машины все нагруженные сайлентблоки и втулки деформируются, отверстие под ось становится овальным, и образовавшуюся слабину невозможно исправить практически никак – сайлентблок/втулка получают люфт.

• Абразивостойкость. Тут тоже двусторонняя медаль: внутри каждого класса материалов чем мягче образец, тем он менее подвержен абразивному износу. Впрочем, даже самые твердые автомобильные полиуретаны более стойки к абразиву, чем резины, и попавший внутрь сайленблока песок скорее сотрет металл, чем полиуретан.

• Адгезия к металлу.Очень многие резиновые автозапчасти спаяны с железной арматурой. И тут, пожалуй, самая большая проблема полиуретановых запчастей: адгезия резины часто сильней, а главное – технологически стабильней чем у полиуретана. Существует ряд технологических ухищрений по обработке арматуры и полиуретана для лучшей склеиваемости, но все они неидеальны. Поэтому компания Полиуретан многие сайлентблоки выпускает в том числе в запрессованном варианте, с неприваренными металлическими частями.

• Морозостойкость. Способность материала не терять эластичности при низких температурах. И вот как раз тут некоторые полиуретаны выигрывают у резин вчистую: даже непрочные резины с большим содержанием пластификаторов почти полностью теряют эластичность при -40. Мы проверяли пыльники своего производства в контейнере с “сухим льдом” – твердой фазой углекислоты, ориентировочно -73 градуса по цельсию (ориентировочно потому что ни один из наших термометров такое мерить уже не умеет), пыльник с трудом, но гнулся.

• Стабильность и долговечность в условиях эксплуатации. Большая часть резин неустойчивы к ГСМ, но главное – деградируют со временем при нормальных условиях. Это связано в первую очередь с выходом несвязанных резиной модификаторов и перевулканизацией самих молекул резины. Любой автолюбитель видел растрескавшиеся и потерявшие эластичность резинки, и знает что китайские/российские заменители теряют свои свойства значительно быстрей “родных”. Полиуретаны не боятся ГСМ и дорожной химии, процесс набора твердости хоть и идет весь срок жизни, но крайне медленно (пара единиц по Шору А за десять лет), единственное – без красителя боятся ультрафиолета, что впрочем не очень критично для большинства автозапчастей.

Как я уже говорил выше, все эти свойства в какой-то мере “программируемые” – изменением состава смеси, введением сополимеров и добавок, изменением условий реакции, подготовкой компонентов и прочими ухищрениями можно в значительной мере их менять. Чем и занимаемся: на нашем производстве одновременно перерабатывается с десяток разных полиуретанов только в серийной продукции, а для заказной/промышленной мы оперативно меняем композицию.

Производители базовых компонентов полиуретанов
выпускают как базовые компоненты, так и преполимеры (частично прореагировавшие
компоненты), имеют свои рекомендованные композиции для разных применений, но
очень медленно и неповоротливо работают с модификациями, и не то чтобы неохотно
общаются, но сильно уж медленно у них все. Медленно – это когда на выставление
счета уходит полгода, а потом оказывается что в счет забыли включить
катализатор, а без катализатора оно не работает, катализатор поставляют еще через
полгода, за это время опытная партия приходит в негодность… короче, сильно все
тяжело. Ах да, забыл сказать: время жизни чистых компонентов ПУ – единицы
недель, время жизни частично прореагировавших – единицы месяцев. Привезти
чистый изоцианат практически нереально, он “протухнет” еще на таможне.

Поэтому мы сотрудничаем с надежным проверенным поставщиком преполимеров – частично прореагировавших компонентов. Это несколько снижает нашу свободу в модификациях материала, но в остальном идентично прямой переработке изоцианата, а главное – дает нам возможность оперативно править технологические параметры компонентов.

Если у вас возникли вопросы о полиуретане – задавайте, постараюсь ответить. Михаил Колесников, m.kolesnikov@polyurethan.ru

• Немного о полиуретане | Часть 1. Вводная
• Немного о полиуретане | Часть 2. Эластомеры
• Немного о полиуретане | Часть 3. Химия
• Немного о полиуретане | Часть 4. Технология

Все статьи
Каталог изделий

В сороковых годах двадцатого века известным немецким ученым Байером Отто Георг Вильгельмом впервые был синтезирован уретановый эластомер, которому суждено сделать революцию в технологиях. Общественность узнала, что это за материал, полиуретан, только через 20 лет.

Что представляет и чем хорош

Синтетическое вещество с полимерной структурой за счет смешивания компонентов, способно приобретать разнообразные качества. Оно может быть пластичным и жестким, а также иметь разные коэффициенты трения. Выдерживает растяжение до 500 % и температурные перепады от -60 до +80 градусов.

Пластик является эластомером, способным вернуть форму после снятия деформационных нагрузок. Основу составляют длинные цепочки из макромолекул уретановой группы. Специфичные черты приобретаются за счет присоединения дополнительных элементов.

Полиуретан технические характеристики: химические и физические свойства

Главным преимуществом этого вида сырья является возможность придания ему самых разных качеств. Как эластомер, он отлично сохраняет геометрию и способен возвращаться к первоначальному состоянию много раз. По этому показателю данный материал опережает главного конкурента – резину. Благодаря этому он показывает высокую износоустойчивость.

Что это такое полиуретан, химический состав материала и свойства

Основные компоненты:

• • полиолы – длинные цепочки;
• • диолы – короткие;
• • диизоцианаты.

За счет комбинации составляющих придаются необходимые качества по эластичности. Получаются устойчивые соединения, сохраняющие свои параметры при разных температурах, несклонные вступать в реакцию с окружающей средой. Пластик удерживает свою структуру в присутствии: масел, кислоты, щелочей и жиров. Не подвергается гидролизу, устойчив к воздействию микроорганизмов (грибков, бактерий, архей). Вещество спокойно переносит умеренное влияние ультрафиолета. Не окисляется озоном, как резина. Это повышает срок службы изделий.

Физические качества

Главное преимущество – это способность временно изменять геометрию и возможность придания разнообразных дополнительных свойств. Продукты на основе этого материала применяются в различных областях промышленности, так как он:

• • способен возвращать начальную форму после снятия усилия;
• • показывает высокую износостойкость;
• • сохраняет добротность при нагреве и охлаждении;
• • не пропускает электричество;
• • имеет коэффициент теплопроводности от 0,19 до 0,25 в зависимости от твердости;
• • создает воздухонепроницаемую пленку;
• • обладает относительно низким удельным весом;
• • возможно создать детали с разными коэффициентами прозрачности.

Виды полиуретана

Химическая отрасль выпускает три основных класса.

Адипрены

Это эластичные вещества, имеющие хорошие характеристики сохранения формы. Из них изготавливают защитные пыльники, протекторы шин для автомобильного транспорта, прокладки и уплотнители, валики для тележек и конвейеров, покрытие для решеток и узлов в обрабатывающей промышленности. Применяют детали в циклонах, грохотах и сепараторах (для предохранения изделий от износа). Изготавливают оправы для литья из гипса и бетона.

Вулколланы

Благодаря повышенной твердости и диапазону температур от -60 до +120 градусов, при которых не меняются параметры, этот материал необходим для создания опор, втулок, сайлентблоков.

Вулкопрены

Это типы, которые используются для последующей вулканизации в сочетании с другими полимерами (каучук). Позволяют достичь высоких показателей по истиранию.

Технические характеристики

Группа имеет достаточно разнообразные свойства в зависимости от молекулярного состава и технологии изготовления. Это определяет распространенность данного сырья в разных сферах жизни.

Особенности:

• • Плотность колеблется в пределах от 30 до 300 кг/м3, и достигается с помощью присадок и способа производства.
• • Обладает твердостью от 40 до 98 единиц по шкале Шору. Это позволяет расширить диапазон использования.
• • Полиуретан обладает большим интервалом температур эксплуатации от -60 до +80 градусов. Существуют виды, способные не утрачивать своих качеств при 140℃.
• • Эластичен. Возможна деформация до 650%.
• • Имеет высокое сопротивление, может работать, как изолятор.
• • Удельная масса маленькая, что позволяет облегчить вес конструкции.
• • Не подвержен разрушению под действием азота, как резина.
• • Устойчив к воздействию углеводородных растворителей (смазочные жиры, керосин, масло, дизельное топливо, изооктан, петролейный эфир).
• • Плохо реагирует на присутствие бензола и толуола. Набухает с увеличением объема до 60 % и теряет свои технические характеристики.
• • Обладает разным коэффициентом трения. Возможно программирование в зависимости от необходимости.
• • Не подвержен к поражению от микроорганизмов и грибков.
• • Возможно придания разного коэффициента поглощения света от прозрачного до черного.
• • Имеет хорошие свойства по водостойкости при комнатной температуре.

Преимущества и недостатки

В зависимости от того, из чего состоит полиуретан, он имеет как положительные, так и отрицательные черты.

К достоинствам можно отнести:

• • Эластичность. По этому показателю он уверенно обгоняет резину.
• • Износоустойчивость. Благодаря этому качеству он нашел широкое применение в обувной промышленности и в изготовлении разных колес и роликов для складского оборудования. На сайте «МПласт» вы можете подобрать необходимые изделия по приемлемой цене.
• • Поверхность имеет гладкую структуру, что позволяет сохранять товарный вид в процессе эксплуатации.
• • Со временем технические характеристики остаются прежними (не подвержен старению).
• • Устойчив к воздействию большинства органических растворителей.
• • Невосприимчив к ультрафиолету.
• • Этому пластику можно придать разный коэффициент трения. В зависимости от потребностей возможно создать скользкую поверхность или хорошее сцепление.
• • Прост при обработке. Допускает литье, термическое формование, вспенивание и другие способы.
• • Не пропускает воздух. Тонкое покрытие делает герметичным.
• • Является диэлектриком. 2 мм не допускают пробоя при приложении 20 киловольт.

К недостаткам относятся:

• • Неустойчивость к средам, содержащим ароматические углеводороды (бензол, толуол), а также к некоторым кислотам, скипидару и хлорсодержащим составам.
• • Ограниченное использование в изготовлении одежды и обуви из-за воздухопроницаемости.  
• • Приобретает ломкость при долговременном воздействии отрицательных температур.
• • Имеет сложную технологию утилизации.
• • С трудом поддается вторичной переработке.

Где используется полиуретан

Химические заводы выпускают этот материал в трех формах: твердый (листовой, прутковый, гранулированный), текучий и пенистый. Первый используется для выпуска прокладок, защитных манжет, втулок, сайлентблоков и уплотнителей прессов. Большую популярность это вещество приобрело при производстве бескамерных шин для спорттоваров (роликовые коньки, скейтборды), для детских колясок, технологического оборудования (рохли, электрокары, складские тележки, направляющие для транспортеров). Эти изделия в широком ассортименте представлены в компании «МПласт».

Жидкий используется для герметичного антикоррозийного покрытия самых разнообразных конструкций: бетонных перекрытий, кровли, поверхности грохотов, транспортерных лент. Он применяется как компонент в составе герметика, клея, лака, краски. При последующей обработке путем вулканизации из него изготавливают сложные защитные элементы: молдинги и манжеты.

Пенистый применяется для утепления зданий, технологических устройств. Из него получаются легкие и эластичные подошвы для спортивной обуви, малонагруженные шины. Перечислить, что делают из полиуретана, не представляется возможным. Этот материал широко востребован:

• • В тяжелой промышленности, где используются вибростенды, и где необходимо применение условно подвижных узлов.
• • В строительной отрасли. Им утепляют поверхности зданий, создают пленку, защищающую от атмосферных воздействий.
• • В автомобилестроении. Из него делают шины, сайлентблоки, манжеты и прокладки, защитные кожухи.
• • В медицине. Широкое распространение получил из-за нейтральности. Изделия не выделяют вредные вещества и не реагируют с лекарственными препаратами. Гибкость и высокая износоустойчивость позволяет применять его в приготовлении протеза, презерватива, имплантата и покрытия для оборудования (костыль, кровать, поручень, инвалидная коляска).
• • В мебельной индустрии. Используется в производстве матрасов, мебели для сада, крепежей, стульев и столов, элементов для декоративной отделки.
• • В изготовлении спортивных принадлежностей: беговых дорожек, роликов, ограничителей в тренажерах, кроссовок и кед, противоскользящих покрытий, пропитка чехлов.
• • В легкой промышленности. Из материала производятся подошвы для обуви, заклепки, коврики для ванной комнаты, ортопедические стельки. Выпускается ткань, имитирующая натуральную кожу.

Из чего и как делают полиуретан

Изначальным сырьем для производства является нефть. Из нее выделяются два основных компонента – изоцианат и полиол. Их процентный состав, а также наличие добавок определяют физические свойства конечного продукта. В результате может получиться твердая, жидкая или тягучая субстанция, пригодная для дальнейшей обработки, как обычный полимер.

С завода волокно поступает на переработку в виде гранул, прутков, листа или в жидком состоянии. Изначально придается соответствующий цвет и степень прозрачности. Такие типы поставок позволяют простыми технологическим решениями изготавливать ту или иную продукцию, необходимую для потребителя.

Методы формовки

Покупателю требуется функциональное изделие, имеющее определенные свойства. Для достижения этого применяются способы обработки, которые аналогичны работе со всеми пластмассами.

Экструзия

Полиуретан полимер отлично подходит для формования методом продавливания. Под давлением нагретый и размягченный материал подается в выходное отверстие экструдера. В этой же зоне происходит отвердение. В результате на выходе получается пруток с заданным сечением или плоский лист. Полученный прокат нарезается или скручивается в рулоны.

Литье

Этот метод является самым распространенным. С помощью него изготавливаются товары со сложной геометрией: втулки, опоры, манжеты, уплотнители, элементы для гидравлики и подшипники. Преимуществом является легкая автоматизация процесса, возможность выпуска больших партий. Для изготовления штучных деталей, размеры которых могут быть до нескольких тонн, используется литье на стенде. В оправу заливается размягченная масса, с последующим отверждением и приобретением устойчивой формы.

Для ускорения процесса в автоматических линиях применяется повышенное давление. Метод мало отличается от технологий изделий из любой пластмассы. Часто необходимо покрыть полимером заготовку из металла. Тогда размягченный полиуретан вручную или под контролем компьютера наносится на вещь. Остывая, слой становится упругим и создает защитную пленку.

Прессование

Подготовленный материал (листовой, прутковый или гранулированный) подается на аппарат, где методом экстремального давления в ограниченном пространстве придается форма. Процесс может сопровождаться предварительным нагревом или размягчением субстанции за счет сжатия. При этом получается деталь с измененными свойствами, имеющая четко заданную геометрию. На производствах такое действие контролируется с помощью программного обеспечения.

Заливка

Для выпуска художественных или штучных изделий используется метод естественного литья. Вручную в подготовленную оправку помещается жидкий материал. Под влиянием высокой температуры или реагентов устройство застывает, сохраняя необходимую конфигурацию. Таким способом можно сделать небольшую серию любых заготовок. Чаще применяется для изготовления больших форм и элементов декора.

Переработка во вторсырье

Устойчивость к атмосферным воздействиям и к влиянию агрессивных сред является проблемой при вторичной переработке уретановых эластомеров. В естественных условиях они не разлагаются десятилетиями. Способность противостоять ультрафиолету и озону делает этот вид пластика вечным загрязнителем окружающей среды. Поэтому остро встал вопрос о рециркуляции.

Существуют несколько методов решения проблемы:

• • Сжигание. Как все углеводороды, полимер хорошо подвержен высокотемпературному окислению. Но технологические присадки содержат вещества, опасные для экологии. При горении продукты распада попадают в атмосферу.
• • Физический способ. Измельченные изделия нашли применение в строительстве, как добавка в бетон, асфальт. За счет этого они приобретают вторую жизнь.
• • Переплавка. При нагреве отходам придается необходимая форма и снова пускается в оборот. Недостатком данного метода является то, что из разнородных составляющих трудно получить продукт с четко заданными характеристиками.
• • Гликолиз – процесс расщепления длинных молекул при высокой температуре в присутствии катализаторов. На выходе получается коротко молекулярные соединения, которые в дальнейшем находят службу в промышленности (производство красок, лаков, добавок в асфальтобетон).
• • Химический способ. Это расщепление цепочек при помощи реагентов. Целью является получение вещества, годного для дальнейшего использования.

Неординарность и интересные факты по применению полиуретана

Возможность придать материалу разнообразные характеристики позволила ему появиться во многих отраслях. Занимаясь спортом, мы используем изделия из этого полимера. Из него делается одежда, обувь, медицинское оборудование. В современном транспорте (автомобили, самолеты, железнодорожные вагоны) давно используют уникальные свойства этой субстанции. Ее неуязвимость стала проблемой для экологии. Несколько лет назад был обнаружен вид грибов, для жизни которых достаточно наличие этого пластика. Pestalotiopsis microspora успешно разлагает полиуретан, при этом его можно употреблять в пищу. Гурманы утверждают, что по вкусу он напоминает хлеб. Может быть, в будущем это станет решением проблемы утилизации.