История полимеров и пенополиуретана

Пенополиуретан привычно считают относительно новым материалом, однако уже в следующем десятилетии – 2037 году, исполнится 100 лет со дня его изобретения. Полимеры же известны еще на сотню лет дольше.

Интенсивность использования ППУ возрастает в последние десятилетия в геометрической прогрессии, поэтому сейчас сложно предположить, где еще его будут использовать к знаменательной дате. Однако можно с уверенностью сказать, что отраслей, где бы он не встречался, не останется.

Появление полимеров

Кто первым получил полимеры и обратил внимание на их свойства, к сожалению, не известно. В первой половине XIX века химики не получали их, а, наоборот, старались избежать «осмоления» и искали пути подавления реакции полимеризации и поликонденсации. Тогда и зародилось название полимеров – «смолы», которое используют и по сей день.

Впервые термин «полимерия» использовал в 1833 году шведский химик Йенс Якоб Берцелиус, хотя вкладывал в него несколько иное значение. Он называл полимерами соединения, одинаковые по составу, но с разной молекулярной массой.

В 1835 году французский химик Анри Виктор Реньо получил венилхлорид в результате взаимодействия хлорводорода с ацетиленом. В 1838 году появляются первые упоминания поливинилхлорида, хотя использовать его в качестве альтернативы дерева, металлов и стекла стали значительно позже. 1839 год стал годом изобретения стирола и полистирола.

Современным значением термины «полимер» и «полимеризация» обязаны великому русскому химику Александру Михайловичу Бутлерову, родоначальнику химии полимеров, начавшейся с создания теории химического строения. Он ввел термины в своих работах, посвященных полимеризации виниловых мономеров. Вообще изначально полимеры изучали в основном с целью поиска способа синтеза каучука.

После Первой мировой войны многие технологии и активы компаний, в том числе химической промышленности, были получены США, и они также активно включились в исследование полимеров. В 1928 году ведущий химик компании DuPont Уоллес Хьюм Карозерс получил полиамидное волокно, в 1931 году синтезировал хлоропреновый каучук – неопрен, а в 1937 году разработал нейлон. Также он ввел в химию высокомолекулярных соединений понятия «функциональности мономера», «линейной и трехмерной поликонденсации». Позже с США началось победное шествие по миру других полимеров – лайкры и спандекса.

Открытие и развитие производства пенополиуретана

Как это часто бывает с судьбоносными и гениальными изобретениями, открытие пенополиуретана порой приписывают случайности: якобы в лаборатории попала вода в смесь полиола и изоционата. Правда, как в исследовательской лаборатории знаменитой немецкой компании Bayer AG могла произойти случайность, неизвестно. Учитывая огромный вклад сотредников этой компании в развитие химической и фармацевтической промышленности, скорее речь идет о планомерной напряженной научно-исследовательской работе.

Изобретателем пенополиуретана считают химика-технолога Отто Георга Вильгельма Байера, однофамильца одного из основателей компании Bayer AG, в которой он работал. Под его руководством в 1937 году был получен первый жесткий полиуретановый пенопласт с двумя видами характеристик, проявлявшихся в зависимости от скорости протекания реакции и коэффициента смешивания компонентов:

• Perlon U или поролон — гибкий, упругий, эластичный, но легко разрушающийся при растяжении;
• Igamid U — плотный, жесткий, прочный, но ломающийся при изгибе.

На дальнейшие исследования и применение пенополиуретана наложила существенный отпечаток Вторая мировая война. Благодаря малой массе, высокой прочности, устойчивости к нагрузкам и вибрациям, самое широкое применение пенополиуретан получил в авиастроении. ППУ препятствовал возникновению возгораний, был стойким к попаданию воды, не накапливал влагу из воздуха. Пенополиуретан использовали в качестве наполнителя для полых конструкций, покрывали им плоскости самолетов, применяли для защиты топливных баков от возгораний и взрывов. К 1944 году в Германии простые и сложные полиэфиры уже производили в промышленных объемах.

После окончания войны опыт немецких научных и производственных предприятий был перенят американскими промышленными и военными компаниями. В 50-е годы XX века развитие полимерной промышленности в Европе, а потом и США развило колоссальную скорость, двигаясь сразу в двух направлениях: разработке новых типов полимерных эластомеров и жестких пен. Полиуретан, в том числе вспененный, стали использовать для производства обуви, мебели, автомобилей.

Изначально пенополируретан смешивали и наносили на поверхности или заливали в емкости вручную. В 1953 году Уолтер Боман изобрел первую машину «Blendometer» для смешивания компонентов полиуретана. Стало возможным использование пенополиуретана для теплоизоляции строительных конструкций и автомобилестроения, но труд по нанесению ППУ оставался ручным.

Только в 1963 году Фред Гусмер изобрел первую машину для напыления пенополиуретана, что сделало теплоизоляцию более доступной и удобной в применении. Однако прошло еще десять лет прежде, чем появилась «суперизоляция» для многократного повышения энергоэффективности зданий. Тогда же было изобретено специальное сопло, позволяющее распылять ППУ в жидком состоянии, чтобы пенообразование происходило не до, а в процессе напыления.

В 80-90 годы пенополиуретановая теплоизоляция выходит на лидирующие позиции. Кроме того, появляются сверхмягкие пены, латексоподобные и вязкоэластичные, из которых начинают изготавливать подушки и матрасы, в том числе для медицинских целей.

В XXI веке разработаны пенополиуретаны на основе растительных компонентов, что сделало материал экологичичным и безопасным.

Развитие полимерной промышленности в России

Начатое профессором А.М. Бутлеровым изучение полимеров в России продолжалось, несмотря на две Мировые войны и Революцию.

Николай Николаевич Семенов, один из основателей химической физики, в 1934 году написал труд «Химическая кинетика и цепные реакции», где вывел доказательство прохождения разветвленных цепных реакций, к которым относилась и полимеризация. За разработку теории цепных реакций он в 1956 году получил Нобелевскую премию, став единственным русским лауреатом-химиком. 1941 году Анатолий Петрович Александров защитил докторскую диссертацию «Релаксация в полимерах».

Академик Валентин Алексеевич Каргин, ставший основателем советской полимерной школы, с 30-х годов XX века занимался изучением полимерного состояния вещества во Всесоюзном научно-исследовательском институте искусственного волокна (ВНИИВ). Под его руководством был разработан новый метод получения высокопрочного кордного вискозного волокна, доказан факт термодинамической обратимости растворов полимеров и сформулирована система трех физических состояниях аморфных высокомолекулярных соединений. Во время Великой отечественной войны благодаря его работе были улучшены свойства кинопленок, разработан принцип и технология производства новых защитных материалов для Армии. В послевоенные годы была создана и применена впервые при строительстве Московского метрополитена технология химического укрепления грунтов, разработаны органические стекла для авиации.

Несколько отставшее в тяжелые послевоенные годы, во второй половине XX века изучение полимеров получило мощное развитие. В 1956 году был создан Всесоюзный научно – исследовательский институт синтетического волокна (ВНИИСВ) в Калинине (сейчас – Тверь). В 1957 году – во Владимире основан Всесоюзный научно-исследовательский институт синтетических смол (ВНИИСС), включающий лаборатории и экспериментальный завод, который стал главным разработчиком советских технологий производства и использования полиуретанов, олигоэфиров, пенопластов, производной целлюлозы, полимерных мембран для разделения жидкостей и газов, термостойких полимеров, сферопластиков, эластомеров и других материалов.

Институты сохранились в тяжелые для науки перестроечные годы, продолжают научную и исследовательскую деятельность, регулярно получают патенты на изобретения. На их базе появилось множество исследовательских и производственных предприятий, разрабатывающих материалы для ракетно-космической техники, медицины, биологии, вирусологии, фармацевтики, радиоэлектронной и оборонной промышленности, энергетики, флота, решения вопросов водоподготовки и очистки промышленных, бытовых и сельскохозяйственных стоков, получения обессоленной, высокоомной и питьевой воды.

Перспективы развития пенополиуретана

Несомненно, будущее промышленности за полимерами. Уже сейчас они активно вытесняют традиционные материалы благодаря уникальным характеристикам, несочетаемым ни в одном другом веществе. Полимеры могут быть одновременно мягкими и прочными, иметь твердую поверхность, но обладать упругостью. Обычно говорят о сроке службы в 50 лет, но реально он может быть значительно больше. Современные полимеры не загрязняют окружающую среду, не вступают в реакции с почвой, водой и воздухом, устойчивы к воздействию агрессивных сред.

Совершенствование пенополиуретанов движется в сторону снижения показателя теплопроводности за счет применения новых классов физических вспенивателей, что сделает теплоизоляцию еще более энергоэффективной и безопасной для окружающей среды. Применение растительного сырья и отходов пищевой и лесообрабатывающей промышленности перспективно для снижения доли компонентов, полученных синтетическим путем. Ведутся разработки повышения пожаробезопасности полиуретанов за счет применения наполнителей из неорганических веществ, что также может улучшить прочность готовых изделий.

Открываются новые перспективы использования в медицине, в частности, в области ортопедии и восстановительной терапии, например, в качестве средства для заживления ран. Интересна идея использования полиуретана для формования изделий на 3D-принтере.

Полимеры используют во всех отраслях промышленности. Научно-исследовательские институты и крупные предприятия в основном занимаются разработкой материалов для космической, оборонной промышленности, медицины, разрабатывают и внедряют новые технологии в глобальных масштабах. Остальные компании получили возможность использовать новейшие разработки, заниматься оптимизацией полимерных композиций и созданием материалов для применения в отдельных отраслях.

Компания Экотермикс не только изготавливает и продает полимерную продукцию, но и разрабатывает материалы Ecotermix, которые применяют в строительстве, судостроении, горнодобывающей промышленности, сельском хозяйстве, производстве транспорта. В собственной лаборатории квалифицированные химики, технологи и инженеры проводят испытания полимерных смесей, получают модификации полимерных систем, оптимально подходящие для выполнения особо сложных задач, поставленных заказчиками.

Компания Экотермикс разработала, испытала и успешно внедряет:

• технологию защиты крыш старого фонда Санкт-Петербурга от сосулек;
• технологию ремонта лестничных пролетов и площадок без их замены;
• особо жесткий пенополиуретан для упрочнения различных конструкций: металлических ангаров, акриловых емкостей и резервуаров;
• материал дорожного разметочного покрытия, которое выдерживает воздействие ультрафиолета и может эксплуатироваться в широком диапазоне температур;
• алифатический клей, сохраняющий цветовой оттенок покрытий из резиновой крошки в течение нескольких лет эксплуатации.

В ближайших планах компании Экотермикс разработка связующих, на основе которых на самом современном оборудовании будет производиться широкий ассортимент полиуретановых покрытий, клеев, герметиков и эластомеров нового поколения. Ведется работа по применению компонентов из растительного сырья в рецептурах продукции Ecotermix.