Материал будущего: из космической отрасли в ваш дом
Оглядитесь и задумайтесь: из чего сделаны окружающие вас предметы? Вы удивитесь, но многие из них – диванные подушки, лёгкая мебель из IKEA, искусственная лепнина на потолке, амортизатор в подошве любимых кроссовок – изготовлены, по сути, из одного и того же материала – пенополиуретана. Созданный в 30-х годах ХХ века, он менее чем за 100 лет полностью преобразил наш мир и при этом постоянно находит новые области применения. На сегодняшний день вершина эволюции пенополиуретана – выпускаемый в промышленных масштабах материал с труднопроизносимым названием «вспененный полиизоцианурат», обычно именуемый PIR. Сейчас он всё чаще заменяет традиционные материалы в строительстве и многих других областях жизни, а в недалёком будущем возможно даже станет основным материалом на планете. В чём же уникальность PIR?
Как получают «материал будущего»
На сегодняшний день PIR – вершина технологической эволюции пенополиуретана, одного из наиболее универсальных и востребованных полимерных материалов, относящегося к категории газонаполненных реактопластов и впервые синтезированного около 60 лет назад. Его уникальность заключается в том, что изменяя пропорцию двух основных участвующих в реакции химических веществ (всего в ней задействовано более десятка реагентов) можно получить широкий спектр материалов с разными физическими свойствами для различных областей применения.
Исходным сырьём для получения PIR и пенополиуретана в наши дни служат продукты нефтехимического производства – полимерные органические соединения и многоатомные спирты. Альтернативным вариантом является использование некоторых видов растительного масла: касторового, соевого, рапсового, подсолнечного и др. Однако такое сырьё значительно дороже.
Синтез и свойства пенополиуретана
В основе реакции полимеризации лежит взаимодействие двух ключевых реагентов, называемых «компонент А» и «компонент Б»:
- Компонент А – полиол: многоатомный спирт, имеющий в своём составе более одной гидроксильной группы —OH. К этой группе химических соединений относятся, в частности, этиленгликоль, пропиленгликоль, глицерин, сорбит и др.;
- Компонент Б – полиизоцианат: органическое соединение, содержащее функциональную группу —N=C=O. В частности, при производстве пенополиуретана и PIR используется полимерный 4,4 метилендифенилдиизоцианат или pMDI, производимый корпорациями BASF, Covestro, Huntsman и Dow.
Реакцию можно описать как взаимодействие полиола и диизационата с образованием полиуретана в присутствии катализатора (обычно аминной группы). Перед реакцией в смесь вводится вспенивающий агент, который заполняет в самом начале пористую, а в дальнейшем - герметично закрытую структуру полиуретана, превращая его в материал под названием пенополиуретан.
Помимо перечисленных реагентов в синтезе участвует ещё примерно 10-13 веществ: катализаторы, стабилизаторы и различные добавки, влияющие на конечные свойства материала.
Практически сразу же после получения пенополиуретана химики заметили, что его свойства зависят от длины цепи газонаполненных микрогранул, которая, в свою очередь, определяется соотношением полиольного и изоцианатного компонентов, а также функциональностью и молекулярной массой самого полиола. Путём варьирования этого соотношения были получены материалы с очень разными свойствами: от мягких губчатых (например, поролон, современные наполнители для матрасов, некоторые виды утеплителей для одежды и пр.) до жёстких пенопластов высокой плотности, используемых в строительстве в качестве изоляции для промышленных холодильников и морозильников, наполнителя сэндвич-панелей, для утепления трубопроводов и производства жёстких плитных утеплителей.
PIR: особенности и отличия
Пенополиизоцианурат впервые был синтезирован в 60-х годах XX века. Технология его производства отличается от технологии получения «классического» пенополиуретана. В первую очередь – соотношением компонентов А и Б в реакционной смеси.
Владимир Шалимов, кандидат технических наук, руководитель технической службы направления "Полимерные мембраны и PIR в КМС" компании ТЕХНОНИКОЛЬ: "В обычном пенополиуретане это классическое отношение, равное 1:1, то есть на одну молекулу полиола приходится одна молекула изоцианата. В результате реакции получается молекула полимера с линейной структурой. При синтезе пенополиизоцианурата это отношение зависит от ряда факторов (от молекулярной массы и функциональности полиола, от содержания NCO-групп в изоцианате и от его типа) и должно быть не менее, чем 1:2. В технологическом цикле нашего предприятия оно составляет как минимум 1:3, то есть на одну молекулу полиола приходится три молекулы изоцианата, две из которых остаются свободными. При этом сам процесс протекает при более высокой температуре. В результате происходит так называемая тримеризация: свободные NCO-группы образуют особо прочные соединения – тримеры. Можно сказать, что пенополиизоцианурат – это тримеризованный изоцианат. Высокая прочность химических связей затрудняет разрушение структуры полимера, поэтому полиизоциануратная пена является химически и термически (в том числе при воздействии открытого пламени) более стабильным материалом: разрыв изоциануратных связей начинается при температуре выше 200 °C, тогда как у пенополиуретана – примерно при 100 °С".