1. Wstęp teoretyczny

   1. Poliuretany

Poliuretany (PUR lub PU) to polimery powstające w wyniku addycyjnej polimeryzacji, wielofunkcyjnych izocyjanianów do amin i alkoholi. Cechą wyróżniającą poliuretany od innych polimerów jest występowanie w ich głównych łańcuchach ugrupowania uretanowe
[-O-CO-NH-]. Poliuretany są polimerami łatwiej topliwymi od poliamidów, dzięki czemu łatwiej się je przetwarza, ale mają też mniejszą odporność mechaniczną. Z poliuretanów produkuje się włókna elastyczne typu lycry i elastanu, elastomery do najróżniejszych zastosowań od podeszew butów po elementy zawieszenia samochodów oraz różnego rodzaju pianki oparte na żywicach poliuretanowych. Ilościowo najważniejszym zastosowaniem poliuretanów są niewątpliwie pianki.

1. Pianki poliuretanowe

Do syntezy pianek poliuretanowych stosuje się prawie wyłącznie aromatyczne izocyjaniany. Są to zwykle mieszaniny izomerów toluenodiizocyjanianu (głównie 2,4-diizocyjanianotoluenu) oraz metylodifenylodizocyjanian (tzw. MDI, nazwa systematyczna: 1-izocyjaniano-4-(4-izocyjanianobenzylo)benzen). TDI jest nieco mniej reaktywny i nadaje piankom większą sztywność, zaś MDI jest bardziej reaktywny i prowadzi do otrzymania pianek bardziej elastycznych. Drugim reagentem przy produkcji pianek są oligomery z grupami -OH na końcach. Są to albo poliestry albo polietery, które w technologicznej praktyce nazwa się poliolami. Nazwa poliole przyjęła się z tego względu, że niezależnie od chemicznego rodzaju surowca (poliester, polieter, glikol i in.), do otrzymania PUR (do reakcji) wykorzystuje się tylko obecność grup hydroksylowych. Pianki na bazie poliestrów są sztywniejsze i mało odporne na czynniki środowiskowe, zaś pianki na bazie polieterów są bardziej elastyczne i trwalsze.

Pianki PU wszystkich rodzajów otrzymuje się w wyniku spontanicznej reakcji między oboma wcześniej wspomnianymi grupami reagentów. Reakcję tę prowadzi się zwykle w temperaturze pokojowej przyspieszając ją dodatkowo katalizatorami, którymi najczęściej są trzeciorzędowe aminy.

Efekt spieniania uzyskuje się na trzy sposoby:

• dodawanie do układu lotnych rozpuszczalników, które parują na skutek samorzutnego ogrzewania się układu reakcji powodując powstawanie porów - aktualnie ten sposób jest w dużym stopniu zarzucony ze względu na szkodliwość dla środowiska

• przepuszczanie przez reagującą mieszaninę gazów obojętnych (zwykle azotu)

• dodawanie do układu reakcji wody - jest to obecnie najczęściej stosowana metoda - gdyż układy z wodą ulegają spienieniu całkowicie samorzutnie.

Trzeba przy tym zaznaczyć, że dodatek wody nie pozostaje obojętny na właściwości powstającego poliuretanu, gdyż zwiększa udział wiązań mocznikowych w reagującej masie. W piankach spienianych wodą, czynnikiem powodującym spienianie jest dwutlenek węgla, powstający w wyniku reakcji wody z grupami izocyjanianowymi (reakcja na przykładzie TDI:)

W drugim etapie otrzymane aminy reagują błyskawicznie z TDI, tworząc wiązania mocznikowe:

Równolegle wyjściowy TDI reaguje także z poliolami:

Obie ostatnie reakcje prowadzą razem do tworzenia się polimeru i żelowania całego układu. Proporcje między tymi trzema reakcjami, którymi steruje się poprzez dobór rodzaju katalizatora oraz udziału wody w układzie reakcji decydują o rozmiarach porów i własnościach powstającej pianki.

Pianki PU stosuje się masowo w przemyśle meblarskim (gąbki tapicerskie i materacowe), samochodowym (gąbki tapicerskie, sztywne pianki do zderzaków, elementów wystroju wnętrza i amortyzatorów) oraz obuwniczym i tekstylnym (tkaniny z podszewkami gąbczastymi, tkaniny ociepleniowe) i wreszcie stosuje się je jako gąbki do kąpieli i rozmaite materiały izolacyjne, kity uszczelniające, spoiwa i kleje.

1. Przebieg ćwiczenia

   1. Próba I

Poliol purocyn B	100 g
Izocyjanian izopirol 20/30IS	100 g

Zaobserwowano gwałtowną reakcję po połączeniu substancji z wydzieleniem ciepła. Masy obu substancji były nieodpowiednio dobrane do wielkości pojemnika, w którym przeprowadzono połączenie tych substancji, otrzymana pianka poliuretanowa „wykipiała” z pojemnika przybierając kształt widoczny na poniższej fotografii:

1. Próba II

Poliol purocyn B	15 g
Izocyjanian izopirol 20/30IS	15 g

W tym przypadku reakcja nie przebiegała tak gwałtownie, jak w próbie pierwszej, co spowodowane było mniejszą masą łączonych składników.

Gęstość poliuretanu otrzymanego w próbie II:

m= 8,3 g

v= 82,5 cm³

$$\rho = \frac{m}{v}$$

$\rho = \frac{8,3}{82,5} = 0,1\ {g/cm}^{3}$

1. Próba III

Poliol purocyn B	10 g
Izocyjanian izopirol 20/30IS	10 g

Gęstość poliuretanu otrzymanego w próbie III:

m= 3 g

v= 66 cm³

$$\rho = \frac{m}{v}$$

$\rho = \frac{3}{66} = 0,05\ {g/cm}^{3}$

Widok struktury wewnętrznej pianki poliuretanowej otrzymanej przez połączenie izocyjanianu i poliolu w stosunku masowym 1:1.

1. Wnioski

Reakcja otrzymywania poliuretanów jest reakcją z wydzieleniem ciepła. Struktura wewnętrzna zależy od szybkości zachodzenia reakcji. Procesowi otrzymywania pianki poliuretanowej towarzyszy wydzielanie się gazu, który „ucieka” w materiał tworząc w nim pęcherze, co sprawia, że materiał ten nie jest jednolity. Za wydzielanie się tego gazu i powstawanie porów gazowych odpowiedzialny jest izocyjanian. Jak pokazały wyniki obliczeń gęstości, nie jest ona jednakowa dla obu próbek, co świadczy o tym, że chemicznie otrzymana mieszanina jest mieszaniną niejednorodną.