Poliuretany

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
Gąbka poliuretanowa

Poliuretany (skrót PUR lub PU) – polimery powstające w wyniku addycyjnej polimeryzacji wielofunkcyjnych izocyjanianów z poliolami. Cechą wyróżniającą poliuretany od innych polimerów jest występowanie w ich głównych łańcuchach ugrupowania uretanowego [−O−CO−NH−]. Z formalnego punktu widzenia poliuretany są estrowo-amidowymi pochodnymi kwasu węglowego.

Tworzywo termoplastyczne – tworzywo sztuczne, które w określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć własności lepkiego płynu. Tworzywa termoplastyczne można kształtować przez tłoczenie i wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie schłodzenie do temperatury użytkowej.Polietery − grupa organicznych związków chemicznych, oligomery lub polimery zbudowane główne z łańcuchów zawierających wiązania eterowe (C-O-C). Polietery mogą być zarówno otwartołańcuchowe jak i cykliczne.

Poliuretany są polimerami łatwiej topliwymi od poliamidów, dzięki czemu łatwiej się je przetwarza, ale też mają mniejszą odporność mechaniczną. Z poliuretanów produkuje się włókna elastyczne typu spandex (lycra, elastan), elastomery do najróżniejszych zastosowań — od podeszew butów po elementy zawieszenia samochodów — oraz różnego rodzaju pianki oparte na żywicach poliuretanowych. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są pianki.

Azot (N, łac. nitrogenium) – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 7, niemetal z grupy 15 (azotowców) układu okresowego. Stabilnymi izotopami azotu są N i N. Azot w stanie wolnym występuje w postaci dwuatomowej cząsteczki N2. W cząsteczce tej dwa atomy tego pierwiastka są połączone ze sobą wiązaniem potrójnym. Azot jest podstawowym składnikiem powietrza (78,09% objętości), a jego zawartość w litosferze Ziemi wynosi 50 ppm. Wchodzi w skład wielu związków, takich jak: amoniak, kwas azotowy, azotyny oraz wielu ważnych związków organicznych (kwasy nukleinowe, białka, alkaloidy i wiele innych). Azot w fazie stałej występuje w sześciu odmianach alotropowych nazwanych od kolejnych liter greckich (α, β, γ, δ, ε, ζ). Najnowsze badania wykazują prawdopodobne istnienie kolejnych dwóch odmian (η, θ).Pneumatyka – nauka, będąca działem inżynierii mechanicznej, zajmująca się konstruowaniem i praktycznym wykorzystaniem urządzeń, w których przekazywanie energii i sterowanie realizowane jest za pomocą sprężonego powietrza (bądź innego gazu o podobnych właściwościach) jako czynnika roboczego.

Poliuretany lite[ | edytuj kod]

Poliuretany lite można otrzymywać w wyniku reakcji chlorków pochodnych kwasu mrówkowego z aminami, ale dużo częściej stosuje się szybszą i wygodniejszą reakcję poliaddycji izocyjanianów z alkoholami:

Synteza liniowych poliuretanów

Reakcja ta może przebiegać błyskawicznie, z wydzieleniem dużych ilości ciepła bez obecności katalizatorów i bez produktów ubocznych, jednakże w praktyce często występuje konieczność katalizowania reakcji. Jako katalizatory stosowane są najczęściej trzeciorzędowe aminy lub związki metaloorganiczne. Aby uzyskać poliuretany lite o w miarę dobrych własnościach mechanicznych, reakcję tę prowadzi się w temperaturze około 0 °C.

Polimeryzacja to reakcja, w wyniku której związki chemiczne o małej masie cząsteczkowej zwane monomerami lub mieszanina kilku takich związków reagują same ze sobą, aż do wyczerpania wolnych grup funkcyjnych, w wyniku czego powstają cząsteczki o wielokrotnie większej masie cząsteczkowej od substratów, tworząc polimer.Journal of Chemical Education (JCE) – oficjalne czasopismo American Chemical Society (ACS), miesięcznik ukazujący się od roku 1924, wydawany przez Division of Chemical Education, Inc., poświęcony zagadnieniom edukacji w dziedzinie chemii na różnych poziomach kształcenia (IF 2012: 0,817, liczba cytowań 6184).

Poliuretany lite są tworzywami termoplastycznymi o niższej temperaturze topnienia od analogicznych poliamidów, ale mają one gorsze własności mechaniczne i nie są tak kruche jak poliamidy lite, przynajmniej w temperaturach powyżej 0 °C. Są stosowane m.in. w przemyśle samochodowym (do produkcji klamek, elementów tapicerki, oraz elementów amortyzatorów), w obuwnictwie do produkcji podeszew butów, w hydraulice i pneumatyce jako materiał na uszczelki, a także do wyrobu wielu drobnych elementów galanteryjnych.

Library of Congress Control Number (LCCN) – numer nadawany elementom skatalogowanym przez Bibliotekę Kongresu wykorzystywany przez amerykańskie biblioteki do wyszukiwania rekordów bibliograficznych w bazach danych i zamawiania kart katalogowych w Bibliotece Kongresu lub u innych komercyjnych dostawców. Kwas mrówkowy (kwas metanowy, E236), HCOOH – organiczny związek chemiczny, najprostszy kwas karboksylowy. Sole kwasu mrówkowego to mrówczany (metaniany). Występuje m.in. we włoskach parzących pokrzyw oraz w jadzie mrówek.

Pierwotnie do produkcji poliuretanów stosowano proste diole alifatyczne, zwłaszcza 1,4-butanodiol, jednak tego rodzaju materiały były trudne w obróbce i kruche, stąd ich zastosowania były bardzo ograniczone. Dopiero rozpoczęcie przemysłowej produkcji tzw. "polioli" - to jest oligomerów poliestrowych i polieterowych zakończonych grupami hydroksylowymi pozwoliło zwiększyć zakres zastosowań tych polimerów. Współcześnie proste diole i triole alifatyczne są stosowane przy produkcji poliuretanów głównie jako środki sieciujące i przyspieszające wzrost masy cząsteczkowej otrzymywanych polimerów. Do tego samego celu stosuje się też proste, wielofunkcyjne aminy alifatyczne.

Ultrafiolet, nadfiolet, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie nadfioletowe (skrót UV) – promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od 10 nm do 400 nm (niektóre źródła za ultrafiolet przyjmują zakres 100–400 nm), niewidzialne dla człowieka. Promieniowanie ultrafioletowe są to fale krótsze niż promieniowanie widzialne i dłuższe niż promieniowanie rentgenowskie. Zostało odkryte niezależnie przez niemieckiego fizyka, Johanna Wilhelma Rittera, i brytyjskiego chemika, Williama Hyde’a Wollastona, w 1801 roku. Mocznik (karbamid, E927b), CO(NH2)2 – organiczny związek chemiczny, diamid kwasu węglowego. W wyniku kondensacji podczas ogrzewania tworzy biuret.

Wadą poliuretanów jest wrażliwości wiązań uretanowych na czynniki środowiskowe – takie jak światło słoneczne (promieniowanie ultrafioletowe) i kwaśne środowisko, co ogranicza ich stosowanie.

Pianki poliuretanowe[ | edytuj kod]

Przykładowe izomery TDI: 2,4-TDI i 2,6-TDI
Przykładowy izomer MDI: 4,4'-MDI

Do syntezy pianek poliuretanowych stosuje się prawie wyłącznie aromatyczne izocyjaniany, najczęściej mieszaniny izomerów różnie podstawionych form diizocyjanianotoluenu (głównie 2,4-diizocyjanianotoluenu), łącznie zwanych TDI, oraz mieszaniny różnie podstawionych metylodifenylodiizocyjanianów, wspólnie nazywanych MDI. Drugim reagentem przy produkcji pianek są oligomery z grupami −OH na końcach. Są to albo poliestry albo polietery, które w technologicznej praktyce nazywa się poliolami. Nazwa poliole przyjęła się z tego względu, że niezależnie od chemicznego rodzaju surowca (poliester, polieter, glikol lub inny), do otrzymania pianek (do reakcji) wykorzystuje się tylko obecność grup hydroksylowych. Pianki na bazie poliestrów i MDI są sztywniejsze i mało odporne na czynniki środowiskowe, zaś pianki na bazie polieterów i TDI są bardziej elastyczne i trwalsze.

Diole (R(OH)2) – grupa organicznych związków chemicznych, alkohole zawierające dwie grupy hydroksylowe. Reaktywność dioli jest zbliżona do innych alkoholi.Związki metaloorganiczne – organiczne związki chemiczne zawierające przynajmniej jedno wiązanie kowalencyjne pomiędzy atomem metalu i atomem węgla grupy organicznej. Do związków metaloorganicznych nie zalicza się związków zawierających wyłącznie ligandy nieorganiczne (np. CO i CN), ani związków, w których nie występuje wyraźne wiązanie metal-węgiel. Np. tetraetyloołów Pb(C2H5)4 i dimetylortęć Hg(CH3)2 są związkami metaloorganicznymi, natomiast nie są nimi np. etanolan sodu C2H5ONa (brak wiązania Na-C), hem (zawiera wiązanie Fe-N, a nie Fe-C) i pentakarbonylek żelaza Fe(CO)5 (brak grupy organicznej). Do pierwiastków tworzących związki metaloorganiczne zalicza się oprócz typowych metali, także półmetale i niemetale o niskiej elektroujemności (np. bor, krzem, arsen itp.).

Pianki PU wszystkich rodzajów otrzymuje się w wyniku spontanicznej reakcji między oboma wcześniej wspomnianymi grupami reagentów. Reakcję tę prowadzi się zwykle w temperaturze pokojowej przyspieszając ją dodatkowo katalizatorami, którymi najczęściej są trzeciorzędowe aminy.

Efekt spieniania uzyskuje się na trzy sposoby:

Izomery (gr. isos – równy, meros – część) – związki chemiczne o identycznych sumarycznych wzorach cząsteczkowych, różniące się między sobą sposobami lub kolejnością wiązań atomowych albo ich innym rozmieszczeniem w przestrzeni.Elastomery – to polimerowe tworzywa sztuczne lub naturalne, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sił mechanicznych, z zachowaniem ciągłości ich struktury. Elastomery to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów.
  • dodawanie do układu lotnych rozpuszczalników, które parują na skutek samorzutnego ogrzewania się układu reakcji powodując powstawanie porów – aktualnie ten sposób jest w dużym stopniu zarzucony ze względu na szkodliwość dla środowiska
  • przepuszczanie przez reagującą mieszaninę gazów obojętnych (zwykle azotu)
  • dodawanie do układu reakcji wody – jest to obecnie najczęściej stosowana metoda – gdyż układy z wodą ulegają spienieniu całkowicie samorzutnie; dodatek wody nie pozostaje obojętny na właściwości powstającego poliuretanu, gdyż zwiększa udział wiązań mocznikowych w reagującej masie.
  • W piankach spienianych wodą, czynnikiem powodującym spienianie jest dwutlenek węgla, powstający w wyniku reakcji wody z grupami izocyjanianowymi (reakcja na przykładzie TDI):

    Oligomery – związki chemiczne utworzone z niewielkiej liczby powtarzających się fragmentów (z greckiego ολιγος lub oligos – kilka) zwanych merami.1,4-Butanodiol – organiczny związek chemiczny z grupy alkoholi dihydroksylowy. Używany jest jako rozpuszczalnik do farb i plastików, w preparatyce organicznej do syntezy γ-butyrolaktonu. W obecności kwasu fosforowego i wysokiej temperaturze 1,4-butanodiol przechodzi w tetrahydrofuran (THF).
    reakcja spieniania

    W drugim etapie otrzymane aminy reagują błyskawicznie z TDI, tworząc wiązania mocznikowe:

    reakcja żelowania I

    Równolegle wyjściowy TDI reaguje także z poliolami:

    reakcja żelowania II

    Obie ostatnie reakcje prowadzą razem do tworzenia się polimeru i żelowania całego układu. Proporcje między tymi trzema reakcjami, którymi steruje się poprzez dobór rodzaju katalizatora oraz udziału wody w układzie reakcji decydują o rozmiarach porów i własnościach powstającej pianki.

    DOI (ang. digital object identifier – cyfrowy identyfikator dokumentu elektronicznego) – identyfikator dokumentu elektronicznego, który w odróżnieniu od identyfikatorów URL nie zależy od fizycznej lokalizacji dokumentu, lecz jest do niego na stałe przypisany.2,4-Diizocyjanianotoluen (2,4-TDI, diizocyjanian tolueno-2,4-diylu, 2,4-dwuizocyjanian toluilenu), organiczny związek chemiczny z grupy aromatycznych izocyjanianów o wzorze: CH3C6H3(NCO)2.

    Pianki PU stosuje się masowo w przemyśle meblarskim (gąbki tapicerskie i materacowe), samochodowym (gąbki tapicerskie, sztywne pianki do zderzaków, elementów wystroju wnętrza i amortyzatorów) oraz obuwniczym i tekstylnym (tkaniny z podszewkami gąbczastymi, tkaniny ociepleniowe) i wreszcie stosuje się je jako gąbki do kąpieli i rozmaite materiały izolacyjne, kity uszczelniające, spoiwa i kleje.

    Klej – substancja, która prowadzona między powierzchnie przylegające dwóch przedmiotów, wykonanych z takich samych lub różnych materiałów, umożliwia trwałe ich połączenie w procesie klejenia. Kleje są zaliczane do materiałów czynnych powierzchniowo (podobnie jak farby, lakiery i detergenty), których cechą charakterystyczną jest zwiększanie adhezji.Kontrola autorytatywna – w terminologii bibliotekoznawczej określenie procedur zapewniających utrzymanie w sposób konsekwentny haseł (nazw, ujednoliconych tytułów, tytułów serii i haseł przedmiotowych) w katalogach bibliotecznych przez zastosowanie wykazu autorytatywnego zwanego kartoteką wzorcową.

    Przypisy[ | edytuj kod]

    1. Malcolm P. Stevens: Wprowadzenie do chemii polimerów. Warszawa: PWN, 1983, s. 282-287. ISBN 83-01-03110-7.
    2. George Woods, „Flexible Polyurethane Foams”, Applied Science Publishers, New Jersey, 1981
    3. Seymour, Raymond B., Kauffman, George B.. Polyurethanes: A class of modern versatile materials. „Journal of Chemical Education”. 69 (11), s. 909, 1992. DOI: 10.1021/ed069p909. 
    4. A Guide To Glycols, The Dow Chemical Company, 1992.
    5. D.C. Allport, D.S. Gilbert, S.M. Outterside: MDI, TDI and the Polyurethane Industry. W: D. C. Allport (Editor), D. S. Gilbert (Editor), S. M. Outterside (Editor): MDI and TDI: Safety, Health and the Environment: A Source Book and Practical Guide. Wiley and Sons, 2003. ISBN 978-0-471-95812-3.
    Alkohole polihydroksylowe (alkohole wielowodorotlenowe) – alkohole posiadające w swojej cząsteczce więcej niż jedną grupę hydroksylową (-OH).Estry (od niem. Essigäther - octan etylu; Essig - ocet i Äther - eter) – grupa organicznych związków chemicznych będących produktami kondensacji kwasów i alkoholi lub fenoli. Komponentami kwasowymi mogą być zarówno kwasy karboksylowe, jak i kwasy nieorganiczne.




    Warto wiedzieć że... beta

    Kwas węglowy, H2CO3 – nieorganiczny związek chemiczny, słaby i nietrwały kwas tlenowy powstający w reakcji dwutlenku węgla z wodą. Z metalami tworzy trwałe sole – wodorowęglany i węglany.
    Izocyjaniany – związki organiczne zawierające w swojej strukturze grupę izocyjanianową o wzorze −N=C=O lub sole nieorganiczne zawierające anion izocyjanianowy [−N=C=O].
    Katalizator – substancja chemiczna, która dodana do układu powoduje zmianę ścieżki kinetycznej reakcji chemicznej, na taką, która ma niższą energię aktywacji, czego efektem jest wzrost szybkości reakcji chemicznej. W trakcie procesów z udziałem katalizatora reakcja chemiczna przebiega drogą o energii mniejszej w stosunku do reakcji bez udziału katalizatora. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie reakcji powstaje dodatkowy kompleks przejściowy katalizator-substrat, który ulega reakcji w wyniku dostarczenia mniejszej ilości energii niż dla reakcji bez udziału katalizatora.
    Gemeinsame Normdatei (GND) – kartoteka wzorcowa, stanowiąca element centralnego katalogu Niemieckiej Biblioteki Narodowej (DNB), utrzymywanego wspólnie przez niemieckie i austriackie sieci biblioteczne.
    Poliestry – polimery zawierające wiązania estrowe w swoich łańcuchach głównych, posiadające sztywniejsze i bardziej polarne łańcuchy główne od polimerów winylowych, przez co mają większą tendencję do tworzenia fazy krystalicznej oraz są bardziej kruche, twarde i trudniej topliwe.
    Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) – substancje chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.
    Aminy – organiczne związki chemiczne zawierające w swojej budowie grupę aminową, będącą organiczną pochodną amoniaku.

    Reklama