Polyuretaani: määritelmä, valmistus, ominaisuudet ja käyttökohteet

Polyuretaani on polymeeri, jota merkitään usein lyhenteillä PU tai PUR. Polyuretaani koostuu orgaanisista yksiköistä, jotka on yhdistetty uretaaniryhmillä (karbamaateilla). Polyuretaanipolymeerit muodostetaan pääasiassa askelkasvupolymeroinnilla, jossa reaktioon osallistuu polyfunctionalinen monomeeri, joka sisältää vähintään kaksi isosyanaattifunktionaalista ryhmää, ja toinen monomeeri, joka sisältää vähintään kaksi hydroksyyli- (alkoholi-) ryhmää. Reaktiota yleensä nopeutetaan katalyytin avulla.

Valmistus ja kemia

Perusidea on polyoli + isosyanaatti → uretaanilinkit. Tavallisesti käytetään:

polyoleja (moniarvoisia alkoholeja, jotka toimivat pehmentäjinä ja ketjujen muodostajina),
polyyisosyanaatteja (erilaisia di- tai polyisosyanaatteja),
ketjunjatkajia ja ristisilloittajia (esim. lyhyet diolit tai diamiinit),
katalyyttejä (esim. tertiaryamiinija tai orgaanimetalliyhdisteitä),
lisäaineita kuten vaahtoutumisenesto- ja apuaineita, palonestoaineita, väriaineita ja täyteaineita.

Reaktion olosuhteet (lämpötila, kosteus, suhteet) ja lisäaineet määräävät lopputuotteen rakenteen: avo- tai suljettu solurakenne vaahtomuoveissa, lineaarinen rakenne termoplastisissa PU:issa (TPU) tai ristisilloittunut rakenne kovissa ja kestomuoveissa.

Ominaisuudet

Laaja jäykkyys-, kovuus- ja tiheysalue: pehmeistä joustavista vaahtoista jäykkiin eristyslevyihin ja koviin muoveihin.
Hyvä kulutus- ja iskunkestävyys elastomeereissa; hyvä palautuvuus joustavissa vaahtoissa.
Hyvä kemiallinen kestävyys monia öljyjä ja rasvoja vastaan (riippuu formuloinnista).
Hyvä lämmöneristyskyky erityisesti suljetun solurakenteen jäykissä vaahtoissa.
Sähköeristävyys, hyvä liimattavuus ja helppo pinnoitavuus monissa sovelluksissa.
Termoplastiset polyuretaanit (TPU) ovat sulavia ja uudelleenmuokattavia; termosetit kovettuvat ja säilyttävät muotonsa lämmössä.

Tyypit ja muodot

Pienitiheyksiset joustavat vaahdot: verhoilu- ja istuinpehmusteissa.
Matalatiheyksiset jäykät vaahdot: lämmöneristykseen ja paneelitarkoituksiin (esim. rakennusten eristeet, PIR/PUR).
Pehmeät kiinteät elastomeerit: geelityynyt, tulostusrullat.
Pohjalliset ja jalkineiden välipohjat: pientiheyselastomeerit.
Kovat muoviosat: elektronisten laitteiden kehykset ja rakenteet.
Termoplastiset polyuretaanit (TPU): letkut, kaapelit, suojakuoret ja kulutusta kestävät komponentit.

Käyttökohteet

Polyuretaaneja käytetään laajasti eri aloilla. Tavallisia sovelluksia ovat:

eristävät ja pehmentävät vaahtomuovit: sohvat, patjat ja auton istuimet;
jäykät eristelevyt rakennuksissa;
tiivisteet ja tiivisteaineet (ESM ja muut);
kestäviä elastomeeripyöriä ja renkaita (esim. teollisuuspyörät);
autoteollisuus: jousitusholkit, sisustuselementit, vaimentimet;
liimat ja tiivisteet, mukaan lukien korkean suorituskyvyn liimat ja tiivisteaineet;
tekstiilit: Spandex-kuidut ja mattojen alusmateriaalit;
elektroniikka: suojakuoret ja komponentit;
rakentaminen: laastit, tiivisteet, pilarien ja paneelien osat;
lääketieteelliset sovellukset (kovetettu pinnat, pehmusteet) — usein vaativat erityispuhdasta formulointia.

Polyuretaaneja käytetään myös ruiskutettavina massa- ja pinnoiteratkaisuina sekä muovauksessa (esim. RIM, reaction injection molding, ja valumuovit).

Kestävyys, kierrätys ja ympäristö

Polyuretaanit tarjoavat pitkäikäisiä ja energiatehokkaita ratkaisuja (esim. lämmöneristys). Kuitenkin niiden ympäristövaikutukset liittyvät usein raaka-aineisiin (isosyanaatit ja öljypohjaiset polyolit), palonestoaineisiin ja mahdollisiin prosessipäästöihin. Kierrätysmenetelmiä:

mekaaninen murskaus ja uudelleenkäyttö täyteaineena tai sidottuna tuotteeksi (rebond);
kemiallinen kierrätys (esim. glykolyysi), jossa polyuretaani pilkotaan takaisin käypiin raaka-aineiksi;
energiankeräys polttamalla (viimeinen vaihtoehto);
biopohjaiset polyolit ja vähäpäästöiset formuloinnit kasvavat vaihtoehtoina tulevaisuudessa.

Turvallisuus ja käsittely

Isosyanaatit ovat reaktiivisia ja voivat aiheuttaa hengitystieherkkyyttä ja ihoärsytystä — ne ovat tunnettuja sensitisoivia aineita. Siksi teollisessa käytössä on tärkeää:

käyttää asianmukaisia henkilökohtaisia suojaimia (hengityssuojaimet, käsineet, suojavaatteet),
varmistaa hyvä ilmanvaihto ja pölyämättömät työtavat ruiskutuksessa ja käsittelyssä,
kouluttaa henkilökuntaa seosten ja kovettumisen turvalliseen käsittelyyn,
hävittää jätteet ja liuottimet määräysten mukaisesti.

Valmiiksi kovettunut polyuretaani on yleisesti kemiallisesti ja biologisesti stabiilimpi ja turvallisempi käsiteltäväksi kuin reaktiiviset esimuodot. On myös hyvä erottaa terminologia: polyuretaanituotteita kutsutaan usein "uretaaneiksi", mutta niitä ei pidä sekoittaa uretaaniin (etyylikarbamaatti), joka on eri yhdiste. Polyuretaaneja ei valmisteta etyylikarbamaatista, eivätkä ne sisällä sitä.

Yhteenvetona: polyuretaani on monipuolinen ja laajasti käytetty polymeeri, jonka ominaisuudet ja käyttötarkoitukset määräytyvät tarkasti valitun kemiallisen formuloinnin ja valmistusprosessin perusteella.

Muoviputki, jossa on eristys. Punainen putki ja musta vaippa on valmistettu polyeteenistä, kellanruskea vaahtomuovi polyuretaanista.

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mitä on polyuretaani?

V: Polyuretaani on polymeeri, joka koostuu orgaanisista yksiköistä, jotka on yhdistetty uretaanilla. Se muodostuu vaiheittaisen kasvupolymerisaation avulla, ja sitä löytyy eri jäykkyys-, kovuus- tai tiheysasteina.

K: Miten polyuretaania valmistetaan?

V: Polyuretaani valmistetaan vaiheittaisella kasvupolymerisaatiolla, jossa vähintään kaksi isosyanaattifunktionaalista ryhmää sisältävä monomeeri reagoi katalyytin läsnäollessa toisen, vähintään kaksi hydroksyyli- (alkoholi-) ryhmää sisältävän monomeerin kanssa.

Kysymys: Mitkä ovat esimerkkejä tuotteista, joissa käytetään polyuretaaneja?

V: Esimerkkejä tuotteista, joissa käytetään polyuretaaneja, ovat verhoilussa käytettävä pienitiheyksinen joustava vaahtomuovi, lämpöeristykseen ja RTM-sydämiin käytettävä pienitiheyksinen jäykkä vaahtomuovi, geelityynyissä ja tulostustelaimissa käytettävät pehmeät kiinteät elastomeerit, jalkineissa käytettävät pienitiheyksiset elastomeerit, elektronisten instrumenttien kehyksissä ja rakenneosissa käytettävät kovat kiinteät muovit.

K: Onko uretaani sama kuin polyuretaani?

V: Ei, uretaania (joka tunnetaan myös nimellä etyylikarbamaatti) ei pidä sekoittaa polyuretaaniin, koska sitä ei valmisteta etyylikarbamaatista eikä se sisällä sitä.

K: Onko polyuretaaneilla muita käyttötarkoituksia kuin edellä mainitut?

V: Kyllä, polyuretaanien muita käyttötarkoituksia ovat muun muassa joustava vaahtomuovi, jäykät vaahtomuovieristyspaneelit, mikrosoluiset vaahtomuovitiivisteet ja -tiivisteet, kestävät elastomeeriset pyörät ja renkaat, autojen jousitusholkit, sähköiset valumassat, korkean suorituskyvyn liimat ja tiivistysaineet, spandex-kuidut, tiivisteet, tiivisteet, mattojen alusmateriaalit ja kovat muoviosat.

Kysymys: Sisältyykö polyuretaanien tuotantoprosessiin katalyyttejä?

V: Kyllä, tuotantoprosessissa käytetään katalysaattoria, joka auttaa reagoimaan monomeerin, joka sisältää vähintään kaksi isosyanaattitoiminnallista ryhmää, ja toisen monomeerin, joka sisältää vähintään kaksi hydroksyyli- (alkoholi-) ryhmää, välillä.