Полиуретаны. Получение, применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшегообразования

«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

(ВлГУ)

Институт Архитектуры, Строительства и Энергетики

Кафедра «Химическая технология»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Введение в специальность»

На тему: Полиуретаны. Получение, применение

Коробов Т.В.

Г. Владимир 2017

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Понятие «полиуретаны». Свойства, достоинства и недостатки материала

1.1 Понятие «полиуретаны

1.2 Свойства, достоинства и недостатки материала

2. Получение полиуретана

3. Применение полиуретанов

Заключение

Список литературы

Введение

В настоящее время отрасль химической технологии широко развита и продолжает бурно развиваться. С ростом технологичности отрасли промышленности растет разнообразие, спецификация и объем получаемой продукции. Одним из наиболее востребованными полимерами являются полиуретаны. Благодаря достоинствам, общим у всех полимеров, а также специфическим свойствам полиуретанов, они нашли широкое применение в современном мире в различных сферах, начиная от деталей для промышленного оборудования, до герметиков и защитных покрытий.

Приоритет в области разработки и получения полимеров, на основе которых впоследствии были получены многообразные виды пено-- и полиуретанов, принадлежит Карозерсу (США) и прежде всего Отто Георгу Вильгельму Байеру (Германия), стоявшим у истоков получения принципиально новых для того времени уретановых эластомеров.

В 30-х годах американский химик-органик Карозерспровел исследования по синтезу полиамидов, на базе которых в концерне «I.G.Farbenindustrie» (Германия) начались работы по созданию подобных полиамидам полимерных материалов, в результате чего немецкий химик-технолог Отто Байер в 1937 г. изобрел новые полимеры -- полиуретаны.В промежутке с 1951-1952 гг. в лаборатории «Байер АГ» были разработаны эластичные полиуретаны.Массовое производство полиуретанов началось в 60-е годы благодаря американским компаниям UnionCarbide и MobayChemicalCorporation.

Практически, во всех крупных городах России имеются производства полиуретана. Крупнейшие производители полиуретанов в мире: США, Канада (до 37% общего объема выпуска), Зап. Европа (до 42%), Япония (12%), остальные страны (10%). Доля мирового производства полиуретанов составляеток. 3,5 млн. т, из них на долю пенопластов приходится до 87%.

В данной работе ознакомимся со следующими вопросами:

1) Что такое полиуретаны, с точки зрения химии?

2) Из какого сырья получают полиуретаны?

3) Как проходит технологический процесс получения полиуретанов?

4) Где применяют полиуретаны?

5) Свойства полиуретанов.

1. Понятие «полиуретаны». Свойства, достоинства и недостатки материала

1.1 Понятие «полиуретаны»

Полиуретаны -- гетероцепные полимеры, макромолекула которых содержит незамещённую и/или замещённую уретановую группу --N(R)--C(O)O--, где R = Н, алкилы, арил или ацил. Кол-во уретановых групп зависит от молекулярной массы полиуретана и соотношения исходных компонентов. В зависимости от природы последних в макромолекулах полиуретанов могут содержаться и другие функциональные группы: простые эфирные и сложноэфирные (полиэфир-уретаны), мочевинные (полиуретанмочевины), изоциан-уратные (полиуретанизоцианураты), амидные (поли-амидоуретаны), двойные связи(полидиенуретаны), которые наряду с уретановой группой определяют комплекс свойств полимеров. Полиуретаны относятся к синтетическим эластомерам и нашли широкое применение в промышленности благодаря широкому диапазону прочностных характеристик. Используются в качестве заменителей резины при производстве изделий, работающих в агрессивных средах, в условиях больших знакопеременных нагрузок и температур. Диапазон рабочих температур -- от ?60 °С до +80 °С. Известны линейные и сетчатые полиуретаны, а также уретансодержащие взаимопроникающие полимерные сеткии уретанфункциональныеолигомеры.

1.2 Свойства, достоинства и недостатки материала

Основные свойства полиуретанов:

1) Высокая степень твердости -- позволяет использовать этот материал при сильных механических нагрузках.

2) Высочайшая износостойкость, в том числе абразивная стойкость (устойчивость к воздействию абразивов твердых материалов, использующихся для шлифовки, полировки и другой обработки поверхностей).

3) Высокая эластичность при высокой твердости. Значение прочности -- до 50 МПа -- обеспечивает невероятную устойчивость к деформациям.

4) Не подвергается образованию микроорганизмов и плесени.

5) Обладает стойкостью к маслам и растворителям.

6) Возможность изготавливать изделия любой формы и размеров (литьевым методом).

Полиуретан имеет многочисленные преимущества перед резиной, металлами и пластиками. В сравнении с резиной полиуретан медленнее стареет, выдерживает бьльшие нагрузки, быстрее восстанавливает форму при деформациях, обладает большей эластичностью, устойчив к воздействию масел. К полиуретану гораздо меньше прилипает грязь.

По сравнению с металлическими поверхностями материал обладает большей эластичностью, меньшим весом, он не проводит электричество, устойчив к воздействию абразивов.

По соотношению стоимость/долговечность полиуретан также выигрывает. Если говорить о применении в производстве и различных механизмах, то полиуретан позволяет удешевить процесс производства, а полученные с его применением механизмы обладают меньшим уровнем шума. Наконец, оборудование из полиуретана требует меньших затрат на обслуживание и ремонт, нежели металлические аналоги.

По сравнению с разными видами пластика полиуретан обладает превосходной устойчивостью при механических воздействиях, большей упругостью и стойкостью по отношению к абразивам. Он не теряет эластичности в условиях низких температур, не раскалывается при ударных нагрузках. В отличие от пластика из полиуретана легче формируются толстые слои.

К общим плюсам полиуретана можно отнести следующие качества:

1) Низкая масса, дающая возможность уменьшения веса изделий.

2) Устойчивость к атмосферным воздействиям и различным химическим веществам.

3) Диэлектрические свойства.

4) Программируемый коэффициент трения -- возможность изготовления материала с необходимым коэффициентом трения -- от очень низкого до очень высокого.

5) Способность к удлинению до 650%.

6) Возможность кратковременной эксплуатации при температуре до +100 °С.

7) Высочайшая долговечность, эластичность, упругость, твердость и прочность.

К абсолютным минусам полиуретана относится трудность с переработкой его отходов. В остальном же его плюсы могут превратиться в минусы в зависимости от сферы применения. Например, полиуретановые сайлентблоки делают подвеску более жесткой по сравнению с резиновыми. Кроме того, материал обладает плохой сопротивляемостью к скручиванию. При низких температурах сайлентблоки из ПУ становятся излишне твердыми и хрупкими, и значит, легко разрушаются. Что касается использования материала в декоре и лепнине, то вспененный полиуретан дает усадку из-за пористой структуры, а рисунок может ложиться нечетко. Полиуретан широко используется при изготовлении обуви, и в данном случае его очевидным недостатком является отсутствие воздухопроницаемости.

Таким образом, зная преимущества полиуретанов, их можно использовать там, где свойства других материалов значительно уступают свойствам полиуретанов.

2. Получение полиуретана

Основной традиционный способ синтеза полиуретана, используемый в промышленности, это взаимодействие соединений, содержащихизоцианатные группы, с би- и полифункциональными

гидроксилсодержащими производными. Схема реакции полимеризации представлена на рис.1.

Получение полиуретанов, не содержащих поперечных связей, не представляется возможным из-за высокой реакционной способности изоцианатной группы по отношению к любым соединениям и группам, содержащим активный атом водорода (вода в компонентах и окружающей среде, уретановые группы в образующейся цепи). Поэтому так называемые линейные полиуретаны следует рассматривать как слаборазветвленные полимеры.

Сетчатые полиуретаны получаются в следующих случаях:

1) Один из компонентов синтеза имеетфункциональность более двух (образуются уретановые поперечные связи).

2) Наряду с двумя основными компонентами синтеза используют агенты удлинения и структурирования

3) В макромолекулы полиуретанов в ходе синтеза вводят функциональные группы, содержащие активный атом водорода, например, мочевинные, и используют изоцианатный компонент в избытке по отношению к гидроксилсодержащему (биуретовые поперечные связи).

4) Проводят циклотримеризацию изоцианатных групп в присутствии специфическихкатализаторов, в результате чего образуется узел сшивания - изоциануратныйцикл.

Полиуретановые эластомеры обычно получают из диолов с длинной цепью типа линейных простых или сложных полиэфиров с молекулярным весом от 1000 до 2000, диизоцианатов и низкомолекулярных «удлинителей цепи», типа гликоля или диамина.

В качестве изоцианатов используются толуилендиизоцианаты (2,4- и 2,6-изомеры или их смесь в соотношении 65:35), 4,4'-дифенилметандиизоцианат, 1,5-нафтилен-, гекса-метилендиизоцианаты, полиизоцианаты, трифенилметан-триизоцианат, биуретизоцианат, изоциануратизоцианаты, димер 2,4-толуилендиизоцианата, блокированные изоцианаты.

Строение исходного изоцианата определяет скорость уретанообразования, прочностные показатели, световую и радиационную стойкость, а также жёсткость полиуретанов.

Гидроксилсодержащими компонентами являются:

1) олигогликоли -- продукты гомо- и сополимеризации тетрагидрофурана, пропилен- и этиленоксидов, дивинила, изопрена;

2) сложные полиэфиры с концевыми группами ОН -- линейные продукты поликонденсации адипиновой, фталевой и других дикарбоновых кислот с этилен-, пропилен-, бутилен- или другими низкомолекулярным гликолями;

3) разветвленные продукты поликонденсации перечисленных кислот и гликолей с добавкой триолов (глицерина, триметилол-пропана), продукты полимеризации е-капролактона.

Гидроксилсодержащий компонент определяет, в основном, комплекс физико-механических свойств полиуретанов.

Для удлинения и структурирования цепей применяются гидроксилсодержащие вещества (например, вода, гликоли, моноаллиловый эфир глицерина, касторовое масло) и диамины (-4,4'-метилен-бис-(о-хлоранилин), фенилен-диамины). Эти агенты определяют молекулярную массу линейных полиуретанов, густоту вулканизационной сетки и строение поперечных химических связей, возможность образования доменных структур, то есть комплекс свойств полиуретанов и их назначение (пенопласты, волокна, эластомеры и т. д.).

В качестве катализаторов для процесса уретанообразования используют третичные амины, хелатные соединения железа, меди, бериллия, ванадия, нафтенаты свинца и олова, октаноат и лауринат олова. При процессе циклотримеризации катализаторами являются неорганические основания и комплексы третичных аминов с эпоксидами.

Условно, в производстве полиуретанов можно выделить 3 стадии:

1. На первый стадии проводят реакцию диола с избытком диизоцианата. Получаемый продукт реакции называется форполимером. Он имеет невысокий молекулярный вес и представляет собой или жидкость или низкоплавкое твердое вещество. Поскольку он содержит концевые изоцианатные группы, то может вступать во все реакции, свойственные изоцианатам.

2. На второй стадии к форполимеру добавляют низкомолекулярный гликоль или диамин. Соотношение реагентов подбирают так, чтобы в смеси имелся небольшой избыток изоцианатных групп.

3. Последняя стадия процесса (отверждение) может начаться в то время, когда вторая еще не закончилась и может продолжаться в течение нескольких часов или даже суток в зависимости от выбранной системы и температуры. На этой стадии происходит взаимодействие концевых изиционатных групп с активными атомами водорода цепи, например, с водородом уретановых групп, в результате чего образуются аллофонатные узлы разветвления.

При таком способе получения полимеров количество поперечных связей можно регулировать путем изменения соотношения изоцианатных групп к общему количеству активных атомов водорода. Для того, чтобы получился сшитый полимер, это соотношение должно быть больше единицы.Под влиянием соответствующего катализатора некоторые из этих реакций могут быть ускорены. Технологическая схема получения полиуретановпредставлена на рис. 2:

3. Применение полиуретанов

Самыми востребованными в промышленности типами полиуретанов являются литьевые эластомеры. Данные полимеры используется для получения крупных и средних деталей, например, огромных шин для транспорта, используемого на заводе. Применение для шин полиуретана позволяет повысить их надежность в 6-8 раз по сравнению с каучуком. Из полиуретана делают также крупные детали для следующих устройств:

-- транспорт для абразивного шлама;

-- гидроциклоны;

-- трубопроводы;

-- флотационные установки.

Среднего типа детали из полиуретана находят свое применение в следующем:

-- ремни ткацких машин;

-- уплотнители в машинах разного рода и размера;

-- конвейерные ленты;

-- детали автомобилей;

-- валики для бумажной и текстильной техники;

-- уплотнители гидравлических машин и т. д.

Термоустойчивые эластопласты используются в производстве автомобилей. Они применяются в подшипниках скольжения механизма руля, в подвеске автомобиля, вкладышах рулевых тяг, топливных клапанах, различных уплотнениях. Из полиуретана производят детали, которые должны стойко переносить постоянное воздействие масла.

Полиуретан применяется и в обувной промышленности, где его используют в производстве прочной подошвы. Также из этого материала часто делаю искусственную кожу, так как он надежный и прочный.

Полиуретан применяют и при производстве древесностружечных плит, пенопластов, полимербетонов, различных покрытий, клеевых составов, изделий медицинского назначения и прочих продуктов и инструментов. За счет своих преимуществ перед резиной и другими подобными материалами полиуретан широко применяется во всевозможных производствах. Но наиболее выгодным типом полиуретана является пенополиуретан, который в денежном выражении приносит свыше 90% дохода от общих поступлений за производство всех полиуретанов.Пенополиуретан применяется в шумо- и теплоизоляции, утеплении систем, в строительстве, изготовлении мебели, некоторых деталей; а также как защита радио- и электротехники.

Заключение

Анализируя исследуемые вопросы, можно подтвердить основную мысль о том, что получение изделий из полиуретана, на данный момент, очень востребованное и выгодное производство. Ряд преимуществ дает полиуретанам стать достойными конкурентами среди полимеров и, среди материалов, в целом. Уже сейчас полиуретаны нашли широкое применение, благодаря широкому диапазону прочностных характеристик. Они смогут стать заменой резинам, из-за большей устойчивости к агрессивным средам, нагрузке и температуре.

При всех достоинствах полиуретаны также могут сократить затраты на обслуживание и ремонт оборудования, содержащего элементы из полиуретана, не говоря об увеличенном сроке службы, по сравнению с металлами, резиной, другими пластиками.

Имея лишь один недостаток- трудность переработки отходов, полиуретаны по праву являются одними из широко используемых и универсальных полимеров на сегодняшний день.

Список литературы:

1.Апухтина Н. П. и др. Производство и применение полиуретановых эластомеров /Апухтина Н.П., Мозжухина Л.В., Морозов Ю.Л. - М.: ЦНИИТ Энефтехим. 1969. C. 94.

2.Бартон Д., Оллис У. Д. Общая органическая химия. Т 4. -М., 1983.

3.Николаев А.Ф. Технология пластических масс. Л., 1977.

4.Энциклопедия полимеров, т. 3, М., 1977, с. 63-70.

5. https://bse.slovaronline.com/31032-POLIURETANY

6. https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_chemistry/3640

Размещено на Allbest.ru