В настоящее время пенополиуретаны (ППУ) занимают одно из первых мест среди полимерных теплоизоляционных материалов, что объясняется хорошими их физико-механическими и теплоизоляционными свойствами, стойкостью к атмосферным и агрессивным воздействиям, простотой технологии — возможностью изготовления на месте производства работ.

Пенополиуретаны получают беспрессовым методом в результате взаимодействия диизоцианатов с полиэфирами в присутствии катализаторов, воды, эмульгаторов и других добавок.

В качестве диизоцианатов для получения пенополиуретанов используют преимущественно толуилендиизоцианаты: 2,4-толуилендиизоцианат (продукт 102Т) и смеси 2,4- и 2,6-изомеров толуилендиизоцианатов с отношением 65:35 и 80:20.

Широко применяют для производства пенополиуретанов замещенные диизоцианаты, которые получают при взаимодействии 1 моля гликоля не менее чем с 2 молями 2,4-толуилендиизоцианата и выпускают в виде смесей ДУДЭГ и ДУДЭГ-2. Начали использовать полиизоцианаты, обладающие малой токсичностью.

В производстве пенополиуретанов обычно применяют простые и сложные полиэфиры с концевыми гидроксильными группами и малым кислотным числом (рН<5).|

При получении эластичных полиуретанов используют полиэфиры линейного или слаборазветвленного строения, а для жестких — разветвленные. Для получения самозатухающих пенополиуретанов в качестве полиэфирного сырья применяют фосполиолы — фосфорсодержащие олигомеры с содержанием фосфора не менее 10%.

Процесс образования пенополиуретанов протекает в присутствии катализаторов, благодаря которым появляется возможность согласовывать реакции образования полиуретана, его вспенивания и отверждения. Катализаторами могут служить различные вещества: третичные амины, щелочи, соли жирных и органических кислот, феноляты натрия, соединения олова и др. В промышленности применяют преимущественно третичные амины: триэтиламин, триэтаноламин, диметилбензиламин.

В случае получения пенополиуретанов в качестве эмульгаторов используют сульфожирные спирты и кислоты, неионогенные эмульгаторы, кремнийорганические жидкости и их смеси. В технике обычно применяют эмульгаторы ОП-7, ОП-10 и ВНИИЖ.

Кроме указанных выше компонентов в состав рецептуры для пенополиуретанов могут входить вода, газообразователи, регуляторы пористости, антипирены и красители. В качестве газообразователей обычно применяют фреоны 11 или 113. Для регулирования пористости применяют ализариновое, парафиновое или силиконовое масла.|

Из антипиренов применяют трехокись сурьмы, поливинилхлорид, трихлорэтилфосфат, винифос-β, β-дихлорэтиловый эфир винилфосфиновой кислоты.

Пенополиуретаны можно получать или одностадийным способом, когда все компоненты смешиваются одновременно, или форполимерным, если компоненты смешивают последовательно.

Протекающие при смешивании компонентов реакции можно разделить на следующие: получение форполимера (изоцианатполиэфиров), сшивка молекул форполимера в линейный полимер; вспенивание реакционной массы; образование сетчатой структуры вспененного полимера.

Процесс вспенивания и отверждения ППУ можно осуществлять непрерывным методом, методами заливки и напыления.

Получение пенополиуретанов непрерывным методом. Непрерывным методом изготовляют эластичные и жесткие пенополиуретаны. Рецептуры для их получения приведены в табл. 26.

Таблица 26. Рецептуры для получения ППУ (в объемных частях)

При введении в рецептуры трихлорфосфата получаются самозатухающие пенопласты.|

Технологический процесс получения пенополиуретанов (рис. 53) состоит из следующих основных операций: подготовки сырья; смешивания компонентов; вспенивания и формования блоков; термообработки; обрезки кромок и разрезки блока на плиты.

(рис. 53) Технологическая схема получения пенополиуретана: а — цех приготовления компонентов смеси; б — цех вспенивания и обработки пенополиуретана; 1 — емкость для толуилендиизоцианата; 2 — емкость для полиэфиров; 3 и 4 — промежуточные емкости для ТДИ и полиэфиров; 5 — дозаторы для добавок; 6 — смесители; 7 — насосы; 8, 9 и 10 — рабочие мерники; 11, 12 и 13 — дозирующие насосы; 14 — компрессор для сжатого воздуха; 15 — холодильник; 16 — очистной аппарат; 17 — ресивер; 18 — смесительная головка; 19 — сливной патрубок; 20 — пластинчатый транспортер; 21 — горизонтальный рольганг; 22 — туннельное охлаждение; 23 — приточно-вытяжная вентиляция; 24 — охлаждающий участок; 25 — агрегат для срезки пленки; 26 — станок для резки пластины; 27 — подъемники; 28 — платформа; 29 — камера вызревания; 30 — линия переработки на листы; 31 — станки для горизонтальной резки; 32 — транспортер

Компоненты рабочей смеси, поступая в смесительную головку, перемешиваются, и полученная смесь непрерывной струей вытекает из сливного патрубка в бесконечную бумажную ленту, движущуюся по наклонному пластинчатому транспортеру со скоростью 3—5 м/мин.|

Смеситель находится в каретке, совершающей возвратно-поступательное движение поперек движущейся формы. Благодаря этому реакционная смесь наливается в форму равномерно. В результате взаимодействия компонентов смеси выделяется СО₂ и масса начинает вспениваться. Реакция эта экзотермическая, вследствие чего температура внутри формирующегося блока повышается до 70°, что ускоряет процесс отверждения. Продолжительность операции вспенивания составляет 1,5—2 мин в зависимости от объемной массы пенополиуретана. Термообработка производится при температуре 90° в течение 12—16 мин.

Получение пенополиуретанов методом заливки и напыления. Получать пенополиуретаны методом заливки можно периодически или непрерывным способами. Напыление ведется непрерывным способом.

Технологические процессы заливки или напыления пенополиуретана состоят из следующих операций: подготовки форм или поверхностей для напыления; расчета и приготовления компонентов; смешивания компонентов; заливки или напыления реакционной смеси; отверждения пенопластов.

Для заливки и напыления ППУ применяют установки типов «ПУУН» и «Пена». Особенно распространена передвижная установка для напыления и заливки пенопластов типа «Пена-1», схема которой приведена на рис. 54.

(рис. 54) Схема установки типа «Пена-1»: 1 — емкость для изоцианата; 2 — емкость для полиэфира; 3 — контактный термометр; 4 — конические шестерни; 5 — люк для загрузки; 6 — электродвигатель; 7 — червячный редуктор; 8 — сменные шестерни; 9 — шестеренчатые насосы; 10 — влагомаслоотделитель; 11 — силикагелевая колонка; 12 — пистолет для напыления или заливки|

Установка предназначена для напыления и заливки жесткого пенополиуретана по двухкомпонентной системе. Для напыления в установке применяют пистолет с механическим или пневмосмешением, для заливки небольших объемов — пистолеты, а больших объемов — смесительную головку. Производительность ее составляет 0,3÷2,5 кг/мин.

Получение ППУ методом заливки. Методом заливки в настоящее время получают различные марки пенополиуретана по технологическим инструкциям.

Исходя из заданного объема изделия или формы, требуемой объемной массы, количества потерь и рецептуры, указанной в инструкции, приготовляют необходимое количество смесей двух видов: из изоцианата и полиэфира и всех остальных компонентов, входящих в рецептуру (активаторная смесь). Смеси приготовляют при нормальных или повышенных температурах (50—80°) путем тщательного перемешивания на механической мешалке, имеющей 800—1600 об/мин.

Ручную заливку применяют обычно в тех случаях, когда необходимо залить одну форму или изделие сложной конфигурации и небольшого объема. Смеси полиэфира с добавками и изоцианатов перемешивают обычно в механических рамных смесителях в течение 0,5—2,5 мин, а затем быстро выливают реакционную массу в форму или изделие. Вспенивание и отверждение пенопласта происходит в форме.

Формы больших объемов заполняют по частям с интервалом между заливками примерно в 1 мин. Для ускорения процесса отверждения и повышения теплостойкости смесь прогревают.|

Машинную заливку форм ведут непрерывным методом при помощи машин типа «ПУУН» или «Пена» со смесительной головкой.

Смешанную массу можно заливать в технологическое отверстие при закрытой форме или в открытую форму равномерным разливом. Время заливки контролируют секундомером.

Залитые массой формы выдерживают при температуре помещения или в термошкафу. Извлекают изделия из форм после охлаждения (в случае термостатирования). Готовые изделия пускают в эксплуатацию не ранее как через 40—48 ч после их извлечения из формы.

Получение пенополиуретанов методом напыления. Этим методом ППУ получают непрерывной технологией в машинах типа «ПУУН» или «Пена» с пистолетом-распылителем. Получаемые несколько различных марок пенополиуретанов отличаются видами применяемого изоцианатного и полиэфирного сырья. Как и в случае заливки, приготовляют две смеси: полиэфир с остальными компонентами и изоцианаты.

Напыление ППУ с установки производят два-три аппаратчика. Перед пуском установки все работающие надевают спецодежду, резиновые перчатки и защитные очки, а проводящий напыление аппаратчик — респиратор марки «Т». Операцию напыления ведут сверху вниз по горизонтали с вертикальным перемещением. Пистолет-распылитель держат на расстоянии 40—50 см от изолируемой поверхности. Максимальная толщина слоя, напыленного за один проход, составляет 8—10 мм. Повторные слои наносят сразу же после вспенивания предыдущего слоя.|

Свойства и область применения. Жесткие пенополиуретаны представляют собой материалы с замкнутой структурой от белого, желтого до коричневого цвета. Основные физико-механические свойства некоторых марок ППУ приведены в табл. 27.

Таблица 27. Основные физико-механические свойства жестких ППУ

Пенопласты типа ПУ-101 и ППУ-3 применяют в качестве легких силовых и теплоизоляционных заполнителей панелей, плит покрытий, штучных и профилированных изделий теплоизоляционного и акустического назначения, изготовляемых в заводских условиях и на месте применения методом заливки.

Пенопласты типа ППУ-ЗН и ППУ-304Н применяют для устройства теплоизоляции на фасонных, кривых и труднодоступных поверхностях путем напыления (хранилищ сжиженных газов, холодильных установок, трубопроводов, хранилищ с нагретой нефтью и нефтепродуктами, контейнеров, морозильных помещений и т. п.).

Эластичные пенополиуретаны (ППУ-Э) выпускают с объемной массой от 25 до 60 кг/м³ и размером ячеек от 0,4 до 3,2 мм. Эластичный пенополиуретан, представляющий собой газонаполненный легкий материал с преобладанием открытых ячеек, правильнее называть поропластом. |Его выпускают в виде листов прямоугольной формы гладких или профилированных, а также в виде полотна светло-желтого цвета. При введении в состав рецептуры красителей можно получать поропласты, окрашенные в различные цвета. Листы ППУ имеют длину 2000 и 1000 мм, ширину 1000, 850 и 750 мм, толщину от 3 до 400 мм.

Основные физико-механические свойства эластичного пенополиуретана следующие: предел прочности при растяжении — не менее 1,2 кГ/см²; относительное удлинение при разрыве — не менее 150%; эластичность по отскоку — не менее 15%; остаточная деформация — не более 10%; коэффициент теплопроводности — 0,03—0,035 ккал/м·ч·град; рабочая температура — 15+100°. Поропласт обладает хорошими акустическими свойствами.

Эластичные пенополиуретаны применяют в строительстве в качестве тепло- и звукоизоляционных материалов: для утепления полов, устройства герметизации стыков панелей и оконных рам, в качестве прокладочного и амортизационного материала, звукопоглощающих обивок, изготовления мягкой мебели и т. д.