История появления и развития пенополиуретана

Пенополиуретан  - это относительно новый материал на нашем, отечественном рынке, однако он давно перестал быть таковым для жителей зарубежных стран. Многие люди приходят в изумление, узнав о высочайших эксплуатационных характеристиках ППУ. Такой набор свойств по праву позволяет пенополиуретану называться одним из самых перспективных материалов нового столетия. Сегодня ППУ широко применяется в различных хозяйственных и производственных сферах и встречается в доме каждого (наполнители мебели, мягкие игрушки,  детали автомобилей и др.).

Сложно поверить в то, что пенополиуретан был получен и начал успешно применяться уже более 60 лет назад! История его использования огромна, а при использовании в качестве теплоизоляции гораздо более обширна, нежели у сегодняшних "лидеров" этого рынка. Так как же всё начиналось?

Первые шаги химии пенополиуретанов

В разработку новых типов популярнейшего полимера полиуретана внесли свой вклад специалисты из практически всех промышленно развитых стран. Приоритет в области разработки и получения полимеров, на основе которых впоследствии были получены многообразные виды пено- и полиуретанов, принадлежит Уоллесу Карозерсу (США) и, прежде всего, Отто Георгу Вильгельму Байеру (Германия), стоявшим у истоков получения принципиально новых для того времени уретановых эластомеров. Конечно же, сам пенополиуретан обладает гораздо более длинной историей, в далеких 30-х годах, в США, Уоллес Карозерс провел исследования по синтезу полиамидов, на базе которых в концерне "I.G.Farbenindustrie" [Фарбиндастри](Германия) начались работы по созданию подобных полиамидам полимерных материалов, в результате чего и были изобретены новые полимеры – полиуретаны.

Еще немного химии

В далеком 1937 году, когда Вторая Мировая война еще только собиралась разразиться, группа немецких ученых под руководством Отто Байера разработали необычное вещество с непривычными свойствами: это был первый жесткий полиуретановый пенополаст. Однако его характеристики были непостоянными и менялись в зависимости от некоторых факторов, а именно от скорости прохождения реакции и коэффициента смешивания главных компонентов — полиола и полиизоцианата.

В одном случае материал получался гибким и очень упругим, в другом - плотным, твердым, но хрупким при сгибании и воздействиях внешней среды. Ученые отлично понимали весь потенциал открытого ими материала, поэтому продолжили свои исследования.

Завод Bayer

Уже в 1940 году в Леверкузене дали старт промышленному производству полиуретана в качестве лепнины. Однако начало второй мировой войны внесло свои коррективы: проблемы дефицита сырья и экономика того времени очень сильно замедлили развитие полиуретанов. Осенью 39 года (1 сентября 1939 года, 5:30, нападение Фашистской Германии на Польшу,-прим.) началась Вторая мировая война. Главной целью того периода являлась необходимость найти качественный и дешевый заменитель стратегическим видам сырья – натуральному каучуку, стали или пробке, острый дефицит которых испытывала воюющая Германия.

 

Первым делом, первым делом самолёты и... ППУ

Исследования очень быстро показали эффективность применения полиуретанов в авиационной промышленности, где пенопласты стали использоваться в качестве среднего слоя в трехслойных сборных конструкциях, сочетающих в себе малый вес, высокую прочность и вибростойкость. Словом, этот материал был создан для того, чтобы летать. Применение полиуретановых покрытий для плоскостей самолетов заметно увеличилась их скорость, а разветвленная ячеистая структура материала значительно облегчала конструкцию. Также у ППУ высокие показатели на водостойкости и атмосферостойкости. Пенополиуретан обладает уникальным свойством предотвращения распространения огня: он плавится только в зоне открытого воздействия пламени. Именно эта способность ППУ стала причиной широкого применения данного материала. В результате уже в 1944 году в Германии было организовано производство сложных и простых полиэфиров в промышленных объемах. Разветвленная ячеистая структура ППУ использовалась в военной авиационной промышленности для облегчения конструкций и защиты топливных систем боевых самолетов от возгорания и взрыва при их поражении.

"Посев научный взойдет для жатвы народной", — Д. И. Менделеев

Располагая информацией о приоритете в развитии данного направления химической промышленности, в 1945 г. военное ведомство США направило в Германию группу своих специалистов для изучения технических достижений в области производства пластических масс. В этом же году в журналах Modern Plastics и Chemical and Engineering News появилась обзорная статья Г. Клайна и краткая заметка о методах получения, областях применения и технико-экономических показателях полиуретановых систем. Вскоре после окончания войны уже в США были организованы масштабные исследования и налажено полномасштабное промышленное производство полиуретановых композиций.

Дальнейшее развитие в области получения нового полимера идет лавинообразно. С этого времени ведут отсчет методы нанесения ППУ, практически аналогичными сегодняшним технологиям, а с 1955 года началось массовое производство полиуретанов в Европе.

В 50-е годы прошлого столетия определились два явных фаворита в области лабораторных разработок и промышленного производства все новых типов полимерных эластомеров и жестких пен. Германия на основе диизоцианатов создала мощную промышленность по производству полиуретанов. Благодаря успехам, достигнутым в области промышленного применения различных полиуретанов в Германии, интерес к этим материалам значительно возрос и в США. В 1954 году США закупается значительная партия промышленного оборудования в Германии.

С тех пор объемы производства пено- и полиуретанов ежегодно возрастают, растет и количество типов систем, применяемых в большинстве отраслей промышленности и коммунального сектора экономики. Производство полиуретанов в развитых странах ведется сегодня в огромных количествах, в числе лидеров США, Англия, Германия, Испания и Япония. В США, например, ежегодный объем производства полиуретанов превышает 2 млн. тонн в год.

Разработка ППУ в России

В России интенсивные исследования и последующие разработки в этом направлении начаты в 60-х годах группой ученых из Института химии высокомолекулярных соединений АН УССР под руководством академика Ю.С. Липатова.

Велись работы также в Институте высокомолекулярных соединений РАН, Институте химической физики РАН, московском и казанском химико-технологических институтах и других вузах и научно-исследовательских институтах.

В результате проведенных исследований были созданы тысячи полиуретановых композиций и многочисленные технически ценные материалы на их основе.

В Советском Союзе специалисты оборонного ведомства также по достоинству оценили полезные свойства полимеров уретановой группы в создании вооружений. Такие свойства, как легкость и низкий коэффициент теплопроводности был использован при создании ракетных комплексов и в авиации. Позднее ППУ стали применяться во всех основных сферах производства вооружений (самолеты, танки, ракеты, флот). Интенсивные исследовательские работы в нашей стране начались в 60-е годы, когда для создания отечественной производственной базы (по импорту получить данный стратегический материал в требуемых объемах не представлялось возможным) к работе были привлечены ведущие специалисты-химики и специализированные научные центры. В их числе Институт химии высокомолекулярных соединений АН УССР под руководством академика Ю.С. Липатова, Институт высокомолекулярных соединений РАН, Институт химической физики РАН, московский и казанский химико-технологические институты и некоторые другие. В результате проведенных исследований, многие из которых носили закрытый характер, были созданы тысячи полиуретановых композиций и на их основе произведены разнообразные эластичные, полужесткие и жесткие материалы. Основные промышленные центры по производству большинства видов полиуретанов расположены во Владимире и в Поволжье.

Кризис, прорыв ППУ покрытий и широкое применение теплоизоляционного пенополиуретана

Резкое повышение цен на нефть в 1974 и 1976 гг. и последовавший за этим энергетический кризис заставил европейские страны и США разработать национальные энергетические программы, стимулирующие рациональное использование энергоресурсов в большинстве областей деятельности. Наряду с развитием традиционных и альтернативных источников энергии на первый план были поставлены меры по экономии энергоресурсов., соединенные штаты Америки и многие европейские страны разрабатывают различные национальные программы по повышению энергоэффективности и снижению не рациональных затрат. В те годы ППУ компоненты и технология поли-изоционатов стали доступны широкому кругу промышленных предприятий и фирм. Во многом благодаря этому, полиуретановые покрытия, известные в те годы под именем покрытий: D-esmodur ® и D-esmophen ® и начали самым активнейшим образом набирать обороты в сфере теплоизоляции. Нужно отметить, что свойства пенополиуретана оказались весьма востребованы рынком. Дальнейшее же развитие этого материала было обусловлено следующим за кризисом этапом роста экономики и бурного развития строительства в те годы.

До чего дошел прогресс!

ППУ покрытия совершили настоящее восхождение от мало распространенного практически неизвестного материала к всемирному признанию в качестве одного из лучших теплоизоляционных материалов.
С 80-х годов применение пено- и полиуретанов распространяется уже и на мирные отрасли хозяйства, находя применение в холодильном оборудовании, строительстве, мебельной, обувной и автомобильной промышленности.

Полимеры данной группы перерабатывают практически всеми существующими технологическими методами: экструзией, прессованием, литьем и заливкой. На основе полиуретанов сегодня получают разнообразные типы полимерных материалов и изделий: наполненные, армированные, вспененные, ламинированные, листовые, в виде плит, блоков, профилей, полуцилиндров, цилиндров и сегментов скорлуп, панелей и сэндвич-панелей, заполненных полостей при теплоизоляции трубопроводов по технологии «труба в трубе», волокон, пленок и многих других. Изделия из полиуретанов могут быть как прозрачные, так и окрашенные в разнообразные цвета, изготавливаются в разнообразных формах, с разной плотностью, прочностью и другими необходимыми физическими показателями и дизайн решениями.