Полиуретан: что это за материал, характеристики, состав, применение

Недавно я писал статью про изготовление формы для искусственного декоративного камня из силикона, сегодня же хочу рассказать, как изготовить полиуретановую форму своими руками, т.к. процесс немного отличается. У меня при заливке форм из силикона, всегда получалось все гладко – формы получались без пузырей. С полиуретаном же все наоборот и прежде, чем начали получаться качественные формы я “закосячил” около 10 форм.

Что нужно для изготовления формы

Чтобы форма из полиуретана получилась качественной нужно сделать хорошую матрицу. Как собрать матрицу можно почитать тут. Также вам понадобится сам полиуретан для заливки форм, ведерко, палочка для замешивания (или шуруповерт с миксером), пластиковый шпатель (я его сделал из крышки пластикового ведерка), весы и смазка. В качестве смазки я использую восковую разделительную смазку ВС-М. Можно также взять мыльный раствор, растрясти его, чтобы получилась пенка и ею обработать матрицу, но лично мне, ВС-М мне нравится больше.

Ну и конечно же нужно помещение с пониженной влажностью и комнатной температурой. Хотя, честно признаюсь, я формы заливал всего при +5 градусов. Полиуретан не такой текучий при такой температуре, но других условий у меня не было.

Производство

Полиуретан является производным материалом от полиола и изоцианата – продуктов нефтехимической промышленности. Для достижения тех или иных технических свойств к ним добавляются различные присадки, то есть при производстве полиуретана как сырья необходимо учитывать его дальнейшую область применения. Сегодня он представляет собой самый востребованный полимер в мире во всех крупных сегментах промышленности. На рынке синтетических полимеров представлен как зарубежный, так и отечественный материал.

При производстве изделий применяются такие технологические приемы как литье, экструзия, прессование, заливка.

Как сделать полиуретановую форму. Инструкция

В первую очередь матрицу нужно просушить, т.к. на ней может оставаться влага (которая никак не ощущается) и именно из-за этой влаги у меня было куча пузырей на тыльной стороне формы. Я беру фен строительный и в течении 3-5 минут просушиваю. Но нужно сушить так, чтобы камень слишком не нагревался, т.к. может нагреваться силикон на который он приклеен. После сушки, примерно через 5 минут, как камень примет комнатную температуру, можно наносить разделительную смазку. Я делаю в 2 слоя с интервалом в несколько минут. Беру ВС-М и на расстоянии 20-30 см распрыскиваю его во все участки матрицы, под разными углами. Одного баллончика мне хватает на 2 формы, площадью ~0,2 кв. метра. Далее нужно развести компаунд, но для начала определяем его количество.

Читать также: Какой гипс лучше для изготовления декоративного камня?

Как узнать сколько нужно полиуретана?

Возьмите готовую матрицу с прикрученными брусками (желательно до обработки разделительной смазкой) и насыпьте в нее что-нибудь сыпучее. Я видел на ютубе как парень засыпает пшеницу и таким образом определяет объем компаунда. Я бы рекомендовал использовать, что-то более мелкое, например, рис, гречку или пшено. И он еще там говорит, что дно формы должно быть толщиной 1-1,5 см – это я считаю лишнее. Достаточно всего 5 мм, чтобы получилось нормальное изделие, а для своих форм я вообще делаю 3 мм – и этого вполне хватает.

Итак, находим самый высокий камень в матрице, замеряем его максимальную толщину (высоту), прибавляем 5 мм и делаем отметку сбоку на одном из брусков. Затем засыпаем пшено ровно по этой отметке и разравниваем. Затем пересыпаем все в какую нибудь тару и замеряем объем, именно объем, а не вес, т.к, например, у гречки и пшена вес будет разный. Для подсчета можно использовать мерные стаканчики или стеклянные банки по 0,5 литра. Допустим у вас получилось 2,5 литра – это и будет объем компаунда. У меня на форму 0,2 квадратных метра с толщиной камня около 1 см как раз получается 2,5 килограмма. Не забываем, что это примерный расчет и лучше перестраховаться, добавив 300-500 грамм полиуретана.

Также хочу сказать про расстояние между плитками в матрице. В идеале это 1 см, но в целях экономии можно делать меньше. Для тонких кирпичей я делаю по 6 мм между плитками и по 8 мм по периметру. Для более толстых 8 и 1 см соответственно.

Приступаем к заливке

Вначале медленно (что бы не было пузырьков воздуха) размешиваем оба компонента палочкой в течении 2-3-х минут. Затем берем чистое ведерко, отмеряем компонент А и наливаем нужное количество. В зависимости от марки полиуретана кол-во двух компонентов может быть разное, у некоторых делается 2 к 1, у других 1 к 1. Я использую Силагерм 5045 он разводится 2 к 1. Беру 2 части компонента А – 1666 грамм и 1 часть компонента Б – 833 грамма, итого 2500 грамм или 2,5 кг.

Читать также: Технология изготовления декоративного камня своими руками

Затем добавляю компонент Б и начинаю замешивать до однородной массы в течении 2-3х- минут. Замешивать можно палочкой или дрелью с насадкой на небольших оборотах. Полиуретан нужно хорошо размешать, тщательно проходя по дну и стенкам.

Матрица должна стоять по уровню и после этого можно заливать нашу смесь. Заливку лучше производить в одну точку по центру, тонкой струйкой. Если температура компаунда и помещения 20-25 градусов, то компаунд сам растечется, если меньше, то можно помочь ему шпателем, как делаю я. Если полиуретан плохо растекается, то он скорее всего холодный. Компоненты можно предварительно разогреть, но только по отдельности. В смешанном состоянии этого делать категорически нельзя, т.к. высокая температура влияет на скорость отверждения. После того, как смесь выровнялась по матрице, а это примерно через 1-2 минуты, берем фен, включаем на максимум и на расстоянии 2-3 см от залитого компаунда проходим сверху всю поверхность – так мы максимально выгоним воздух. Жидкий полиуретан от фена будет “плыть” и будет выходить воздух.

Производство ППУ методом заливки

Для этого способа важно иметь необходимое оборудование, наличие компонентов для производства пенополиуретана. Так же, как в методе напыления, механизм обеспечивает непрерывную подачу и интенсивное перемешивание смеси

Особенностью является только то, что реакционная масса подается не под давлением, а разливается по формам или полостям. Для того, чтобы на выходе получить хороший продукт, используются смеси с замедленным временем вспенивания. Чаще всего заливка элементов проходит в несколько этапов, порционно. Потому что не всегда получается точно высчитать объем заполнения.

Заливка ППУ

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.

Часть четвертая, технология.

В общем случае полиуретаны – реактопласты, то есть для получения конечного вещества необходимо провести химическую реакцию нескольких компонентов. Благодаря неимоверному разнообразию эти компоненты могут быть разными, их может как будто не быть (монтажная пена полимеризуется с влагой воздуха, которая активирует второй компонент, пока влаги нет реакция не идет, хотя оба компонента смешаны), реакцию можно провести в несколько этапов, из которых часть провести на заводе.

В некоторых случаях полиуретаны перерабатываются вручную и практически не имеют требований на точность технологии, например модельный полиуретан поставляется в банках, которые смешиваются в пропорции 1:1 по объему “на глазок”, при нормальных условиях сливаются и “тщательно перемешиваются”. Полученный результат несомненно является полиуретаном, и его прочность, твердость, устойчивость и прочие физмех параметры удовлетворяют многим применениям, например, производству форм для статуэток.

Но к сожалению, с автозапчастями (а тем более промышленной продукцией) такой номер не проходит: необходимая точность дозировки (стехиометрия) составляет десятые процента, при смещении пропорции смеси на десятую процента отклонения в физикомеханических показателях может доходить до десятков процентов. На небольших количествах компонентов роль играют сотые грамма, которые вроде бы и можно поймать на аптечных весах, но невозможно перелить из стакана в стакан, а тем более перемешать на все 100%.

Подготовка материалов для автозапчастей – отдельная песня, некоторые компоненты требуют разогрева (но не перегрева), перемешивания, фильтрования и так далее. Смешение компонентов – тоже только аппаратное и только в струе, ручное перемешивание возможно, но это довольно сложный многостадийный процесс, лишь отдаленно напоминающий ютюбовское перемешивание в стакане палочкой. Зато результат разительно отличается от гаражного – получившиеся детали прочней, долговечней и стабильней.

Технология изготовления пенополиуретанов (как мягких, так и твердых) также отличается: существуют бытовые/строительные пены, не требующие каких-то спец инструментов и методов, а есть промышленные пены, не менее сложные в производстве, чем эластомеры. Теоретически на оборудовании для переработки эластомерных полиуретанов можно переработать пены, практически – лучше не стоит. На данный момент мы не перерабатываем пены и не собираемся.

Отдельный класс технологий – переработка термопластичных полиуретанов (ТПУ). Тут надо учесть 3 аспекта: во-первых, сырье для ТПУ получают все равно первичной реакцией реактопласта, во вторых в переработке эластомерный ТПУ – один из самых капризных термопластиков, он резко ухудшает физмех свойства при добавлении вторички или колебании режима, а в третьих, переработка на термопластавтомате массивных изделий сама по себе достаточно сложна.

Существуют специальные композиции с полиуретаном для термопластичной переработки, например, для производства кабельной продукции – в них введено очень много разных добавок как раз для упрощения переработки, но при этом физмех, конечно, ухудшается. Недобросовестные (или просто неопытные) переработчики используют неподобающие ТПУ для производства в том числе наших групп продукции – пыльников, втулок, сайлентблоков и т.д., с предсказуемым результатом: люди пробуют, плюются и делают неадекватный вывод что “ПУ мне не подходит”.

Пожалуй вдогонку замечу, что технология литья наших материалов имеет свои ограничения. Так, реакция экзотермическая (идет с выделением тепла), а температурный коридор реакции невелик, поэтому без изменения химии (с падением физмех характеристик) невозможно залить массивные изделия с большой толщиной. Слишком тонкие слои – тоже плохо, на толщине стенок менее 2 мм начинают играть роль капиллярные силы и материал может не пролиться. Поскольку процессы полимеризации протекают не при комнатных условиях, максимальные физические размеры также ограничены имеющимся оборудованием.

Литье полиуретана в домашних условиях

Самый простой способ получить более-менее приемлемый результат без промышленного оборудования заключается в помещении формы с залитым полиуретаном в камеру, в которой создается повышенное до 4 атмосфер давление. Форма остается в камере до полного затвердевания материала. Кстати, оснастку желательно изготавливать из силикона, а компаунды со временем жизни менее 5-10 минут рассматривать не стоит.

Если необходимо разово изготовить до 10 деталей, то лучше всего обратиться к знакомому, у которого уже есть хотя бы емкость, компрессор и набор оборудования. Для кустарного мелкосерийного производства нужно будет приобрести, по крайней мере, автомобильный компрессор и защитное снаряжение (минимум – хим-фартук, химстойкие перчатки, очки или маска и респиратор).

Однако даже имея такой набор, при литье полиуретана в домашних условиях высока вероятность возникновения дефектов в готовой продукции, и вызвана она в первую очередь пузырьками воздуха в расплавленном сырье и невозможностью контролировать скорость заливки.

Характеристики материала

Формы из такого материала обладают хорошей гибкостью и надежностью, а ввиду спецнаполнителей – отличной износоустойчивостью. Каркасы позволят создать изделия из всевозможных стройматериалов.

Преимущества пенополиуретана:

• Длительная эксплуатация.
• Незначительная вязкость.
• Несильная усадка.
• Не деформируется.
• Повышенная прочность.
• Невосприимчивость к повышенным и пониженным температурам.
• Невосприимчивость к кислоте, а также щелочи.

Характеристики полиуретана
Конструкции, которые изготовлены из жидкого пенополиуретана отличаются производительностью в течение 2 лет. Среди преимуществ следует отметить:

• Изделия, которые получены из такого материала, отличаются повышенной имитацией натуральных покрытий.
• Будет обеспечена опция применения материалов, отлично имитирующих рельеф естественного покрытия.
• Ввиду внутренней поверхности изделий получаются разные оттенки продукта, создать размытый эффект.
• Готовое изделие обладает четкой геометрией, а также небольшой массой, что реализует дизайн и простой монтаж.
• Формованные изделия не нуждаются в различных вспомогательных облицовочных работах.

По собственным параметрам качества подобный материал будет превосходить металл и резину. Хрупкость возникает при температуре – 60 градусов. Разрушается материал в процессе нагревания больше 100 градусов (ряд брендов при + 150).

Производство пенополиуретана требует соблюдения всех правил безопасности

Процесс изготовления из ППУ является опасным видом работ. Ведь сырье для производства может вызывать раздражение кожи и слизистых оболочек. При напылении в воздухе образовывается осадок с компонентов, который оседая на одежду и находящиеся по близи автомобили или прочее предметы, можно удалить лишь механическим путём. Именно поэтому, человек, который непосредственно работает с напылением или заливкой пенополиуретана обязан быть в защитном костюме, респираторной маске и очках. Существует несколько правил при работе с напылением:

• запрещается производить напыление пенополиуретаном в закрытом помещении, при условии нахождения в нём людей в не защищенных костюмах, а так же при присутствии животных;
• при напылении ППУ необходимо убедится, что по близи нет очагов открытого огня;
• запрещено сжигать остатки компонентов и смеси;
• рабочий персонал должен быть защищен специальной одеждой, маской и очками.

Выливать остатки смешанных компонентов в канализационные сливы запрещено. Все не переработанные пенополиуретановые компоненты необходимо отправлять на утилизацию на специализированные свалки. Если же всё-таки на производстве произошел, вытек ядовитых веществ, лужу необходимо присыпать деревянными опилками. Ну а после того как пенополиуретан полностью застынет, он становится безопасным для человека и для окружающей среды.

Помещение, которое оборудовано под заливку пенополиуретана, должны иметь отличную вентиляционную систему. Ведь при производстве ППУ выделяются некоторые токсические элементы, которые при контакте с воздухом расщепляются на безопасные. Само по себе производство не наносит вреда окружающей среде при соблюдений всех правил безопасности.

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.

Подведем итоги

Полиуретан является популярным материалом, из которого изготавливают тысячи предметов. Он устойчив к механическим нагрузкам, высоким и низким температурам, воздействию агрессивных веществ. Но при всех достоинствах у материала есть важный недостаток — сложная утилизация.

Сейчас увеличивается спрос на экологичную продукцию, которую легко перерабатывать. Мировым трендом является стремление уменьшить количество мусора на планете. Полиуретаны будут востребованными, пока у них не появятся аналоги, которые можно полностью утилизировать.