Свойства полиуретана | Полимер-Тех

Полиуретан относится к конструкционным материалам (КМ), механические свойства полиуретана дают возможность использовать его в деталях машин и механизмов, подвергающихся силовым нагрузкам. К данному виду промышленных материалов предъявляются очень серьезные требования с точки зрения сопротивляемости воздействию агрессивной внешней среды. Все КМделятся по своей природе на металлические, неметаллические и композитные. Полиуретан, по данной классификации, относится к группе неметаллических материалов, хотя обладает и определенным набором свойств металлов и композитов. Существует ряд важнейших критериев для оценки применимости КМ в определенных промышленных условиях (прочность, ресурс, температурная стойкость, износостойкость, химическая инертность, электрическая проводимость и др.). По своим параметрам полиуретан является одним из наиболее универсальных КМ, его универсальность обусловлена особыми свойствами:

• эластичность (относительное удлинение при разрыве в 2 раза больше, чем у резины),
• низкая истираемость (условная износостойкость в 3 раза выше чем у резины),
• высокая прочность (превышает прочность резины в 2,5 раза),
• высокое сопротивление раздиру и многократным деформациям; эта группа свойств позволяет многократно увеличить надежность и срок службы деталей по сравнению с резиновыми. В соответствии с требованиями заказчика точно подбирается твердость используемого в изделии полиуретана. При этом на всем диапазоне твердости вышеперечисленные характеристики практически неизменны. Отличную прочность и долговечность демонстрируют такие изделия как колеса, ролики, валы, траки, покрытые слоем полиуретана, полиуретаном гуммируют поверхность мельничных барабанов, а также сами мелющие тела;
• кислотостойкость и стойкость ко многим растворителям позволяет широко использоват полиуретан в типографиях (валки для типографских станков), химическом производстве, на складах химической продукции;
• стойкость к высокому давлению (до 105 МПа) дает возможность изготавливать высокопрочные манжеты, втулки, кольца, сальники, эластичные вкладыши;
• повышенная твердость (до 98 ед. по шкале Шора) с большим запасом прочности – качество, дающее возможность использования полиуретана взамен металлов. Полиуретановые ведущие звездочки для машин на гусеничном ходу во многих случаях успешно заменяют металлические;
• вибростойкость и большая ударная вязкость дают возможность изготовления полиуретановых приводных ремней, конвейерных лент, сит для грохотов в горно-добывающей промышленности, пружин, различных демпферов, элементов подвески транспортных средств и т. д.;
• маслобензостойкость увеличивает срок службы колес, гуммированных полиуретаном, по сравнению с обрезиненными и каучуковыми, значительно дольше служат полиуретановые уплотнения в нефтепроводах;
• низкая теплопроводность, сохранение упругости при низких температурах и рабочий температурный интервал от -50°С до 110°С позволяет использовать колеса, гуммированные полиуретаном и полиуретановые покрытия в складах-холодильниках, в горячих цехах, (допустимо кратковременное повышение окружающей температуры до 120-140°С), а также для задач теплоизоляции;
• высокие диэлектрические свойства позволяют изготавливать из полиуретана не только гидро- , термо-, но и токоизолирующие покрытия;
• озоностойкость, полиуретан (в отличие от, например, резины) практически не разрушается при воздействии озона, что является одним из важных критериев выбора максимально долговечного материала для детали или защитного покрытия; водостойкость позволяет создавать гидроизолирующие покрытия на основе полиуретана;
• стойкость к микроорганизмам и плесени и химическая инертность полиуретана позволяют использовать его в пищевой и медицинской промышленности (безопасные нетоксичные покрытия, конвейерные ленты, катетеры и трубки, даже имплантанты).

Таким образом, полиуретан обладает всем спектром полезных и необходимых свойств, благодаря которым можно использовать этот прогрессивный материал практически в любой сфере промышленности.

Виды и свойства полиуретана

Ускоряем разработку продукта, сокращаем затраты с помощью цифровой производственной платформы.

Получить мгновенную оценку

Загрузка в производство за 5 мин.

Литьё полиуретана — универсальный производственный процесс, охватывающий широкий спектр материалов, поэтому выбор подходящего варианта может включать множество факторов.

Так, полиуретаны одного типа или группы твёрдости могут показаться очень похожими, но при рассмотрении подробных характеристик и уникальных свойств различия могут стать основой выбора или источником вдохновения. Даже самый продвинутый гик не запомнит всех свойств материала, а также не все, кому нужно сделать выбор обладают навыками инженера: здесь становится бесценной техническая документация и наше пособие по её чтению.  

В этой статье мы рассмотрим основные типы полиуретанов, области их применения, ответим на вопросы: как выбрать материал и прочесть его технические данные, чтобы вы могли сделать правильный выбор.

Перед началом изучения свойств мы рекомендуем сформулировать ваш запрос и ответить для себя или при размещении заказа на следующие вопросы:

• Назначение детали

Условия работы и возможные механические воздействия. Требуются ли повышенные электрические свойства, ударная прочность, несущая способность или же деталь выполняет функцию амортизатора? То есть факторы, которые помогут уточнить набор требуемых характеристик.

• Устойчивость к факторам окружающей среды

Будет ли деталь подвергаться воздействию экстремальных температур, влажности, ультрафиолетового излучения или агрессивной химической среды?

• Ожидания

Точность изготовления, визуальные требования к качеству поверхности и цвету детали, а также другие требования в отношении срока службы, скорости производства и стоимости изделия.

Твёрдость

Под твёрдостью понимают показатель устойчивости пластика к деформации, вызванной механическим вдавливанием или истиранием. Полиуретаны можно разделить на две большие группы: жёсткие (пластик) и эластичные (резиноподобные), а также выделить силикон, как материал для получения очень мягких и эластичных отливок. 

Классификация полиуретана по твёрдости определяется шкалой Шора или методом вдавливания, обычно применимым для полимеров, каучуков и продуктов их вулканизации.

Твёрдость по Шору обозначается в виде числового значения шкалы, к которому приписывается буква, указывающая тип шкалы и иногда метод измерения или прибор. Различают типы A, B, C, D, DO, E, M, O, OO, OOO, OOO-S и R. Все шкалы делятся от 0 до 100 условных единиц, при этом высокие значения соответствуют более твёрдым материалам. Для полиуретана или силикона применимы шкалы A и D.

Примеры обозначения:

Твёрдость по Шору 80D, Твёрдость по дюрометру 80D

Твёрдость по Шору 80 по шкале А, Твёрдость 80 ед. Шора D

Жёсткие полиуретаны

В спектре шкалы 60 — 90 единиц Шора D находятся полиуретановые смолы от жёстких до очень жёстких. Для представления, большинство материалов твёрдостью от 65 ед. в этом диапазоне покажутся абсолютно твёрдыми для руки человека и не будут иметь поверхностной гибкости. Напримиер, твёрдость защитной каски — 80 ед. Шора D

Жёсткие полиуретаны имитируют большинство материалов, используемых для литья под давлением, таких как ABS, PMMA, PS и PP. Основное применение — корпуса приборов бытовой техники, медицинского оборудования, детали автомобилей, оптически прозрачные компоненты.

Резиноподобные полиуретаны

Для эластомеров с твёрдостью в пределах шкалы 30 — 90 ед. Шора А характерна большая гибкость и низкий модуль упругости, другими словами — они эластичны, например ластик карандаша с твёрдостью 40 единиц. Такие полиуретаны имитируют свойства резин TPE, TPU и могут быть применимы для производства уплотнителей, чехлов приборов, заглушек, кабельных вводов и капсулирования.  

Силиконы

Силиконы пересекаются с резиноподобными материалами в спектре 5 — 50 единиц Шора А, но чаще всего используются для создания деталей низкой твёрдости, но требующих повышенной эластичности и прочности на растяжение, а также для изготовления форм, с помощью которых отливаются детали конечного пользования. Силикон отлично зарекомендовал себя как материал кнопок, уплотнительных прокладок и колец, а также биосовместимых деталей медицинского назначения. Для представления твёрдости, жевательная резинка имеет показатель 10 ед. Шора А. 

Свойства при растяжении

Не смотря на существующие типы полиуретана, есть основные свойства, которые требуют понимания для оптимального выбора материала.

В зависимости от вида нагрузок выделяют статическую, динамическую и усталостную прочность. При статических нагрузках производят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение, при динамических — на ударную вязкость, на усталостную определяют способность образца выдерживать циклические нагрузки. Показателем прочности для возможности сопоставления материалов является предел прочности — максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения.

Статическое растяжение — один из наиболее распространенных видов испытаний для определения механических свойства материала, которые наиболее часто содержат технические документации, поэтому мы уделим внимание ему.

При испытании на растяжение образец специальной формы помещается в установку с гидравлическим прессом, где к нему, закрепленному с двух концов, прикладывают продольную силу пока не наступит разрушение, таким образом определяют диаграмму прочности и следующие показатели. 

• Предел пропорциональности (Proportional limit), МПа (МPa)

Наибольшее напряжение, до которого материал следует закону Гука: деформация, возникающая в упругом теле, пропорциональна приложенной к этому телу силе.

• Предел упругости на растяжение (Elastic limit), МПа (МPa)  

Напряжение, после снятия которого, в теле не возникает остаточных деформаций — форма образца сохраняется.

• Предел текучести на растяжение (Yield Strength), МПа (МPa)

Максимальная нагрузка, которую выдерживает материал до окончательного разрушения: начинают происходить необратимые изменения, появляются значительные пластические деформации.

• Предел прочности на растяжение (Maximal/Ultimate tensile strength), МПа (МPa)

Критическая точка напряжения или такая нагрузка, превышение которой приведёт к разрушению тела.

• Модуль упругости при растяжении (Tensile modulus of elasticity/Youngs Modulus), Па (Pa)

Дополнительно можно определить физическую величину, характеризующую способность материала к растяжению, сжатию при упругой деформации — модуль Юнга. Исследуя этот показатель можно понять отношение напряжения к линейной деформации — как будет вести себя тело на участке диаграммы от предела текучести до предела прочности.

Материал с более крутым уклоном графика — например, ABS, будет жёстче, чем материал с более пологим – TPU.

• Относительное удлинение при разрыве (Elongation at maximal tensile strength), %

Важный показатель, особенно если речь идет об эластичных материалах, который показывает на сколько удлинилось тело — какую часть от первоначальной длины составляет удлинение в процентах.

Свойства изгиба

Свойства изгиба близки к свойствам при растяжении, и для многих изотропных материалов (с постоянными физико-механическими свойствами во всех направлениях), таких как сталь, они будут равны.

Для пластика же характерна неравномерность свойств в связи с поверхностным упрочнением, поэтому для обеспечения точности проводят дополнительное испытание на изгиб: образец помещается на две опоры с грузом приложенным по центру, с помощью чего определяют показатели аналогичные растяжению:

• Предел прочности при изгибе (Maximal/Ultimate flexural strength), МПа (МPa)

• Модуль упругости при изгибе (Flexural modulus of elasticity), Па (Pa)

Ударные свойства

Тест на ударную вязкость — способность тела поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения, достаточно прост: образец закрепляется в зажиме под тяжёлым маятниковым рычагом, рычаг поднимается и при падении маятник ударяет по образцу.

Испытания проводятся на образцах с надрезом или без надреза. Тест с надрезом является более реалистичным индикатором ударной вязкости, когда на поверхности продукта могут быть дефекты (iPhone бросают в карман с ключами), в то время как тест без надрезов лучше подходит для ситуаций, когда материал будет работать в менее агрессивной среде.

В любом случае, ударные свойства пластика важны, когда мы хотим иметь представление о прочности в заданных условиях. Возьмём два обычных прозрачных пластика: поликарбонат и акрил. Оба они имеют одинаковую прочность на разрыв (около 40 МПа), но поликарбонат выдерживает до 40 раз большую ударную нагрузку. Акрил же обеспечивает лучшую прозрачность.

По месту приложения нагрузки в момент испытания различают:

• Ударная вязкость по Шарпи (Сharpy impact strength), кДж/м2 (kJ/m2)

• Ударная вязкость Изоду (Izod impact strength), кДж/м2 (kJ/m2)

Тепловые свойства

Аналогично тому, что материал не выдержит нагрузку или силу удара, стоит беспокоиться о воздействии окружающей среды на деталь, а именно нагрева или чрезмерного охлаждения.

Ожидаемое поведение пластика при повышенных температурах — размягчение, поэтому в разделе тепловых свойств технических характеристик вы найдёте:

• Температура изгиба под нагрузкой или деформационная теплостойкость (Deflection temperature), ℃

Покажет при какой температуре пластмассовый образец будет изгибаться на стандартное значение под воздействием нагрузки. Найдите максимальную температуру, при которой будет работать ваша конструкция, а затем убедитесь, что она в рамках значений термостойкости.

• Температура стеклования (Glass transition temperature),℃

Температура, при которой полимер охлаждаясь переходит из высокоэластического или вязкотекучего в стеклообразное состояние. Важная эксплуатационная характеристика полимерного материала, соответствующая верхней температурной границе теплостойкости пластмасс и нижней границе морозостойкости каучуков и резин.

Специальные свойства

В дополнительной документации на материал вы можете найти:

• Сертификат безопасности FDA (Food and Drug Administration)

Материал нетоксичен и безопасен для прямого контакта с пищевыми продуктами.

 

• Паспорт безопасности MSDS (Material Safety Data Sheet)

Информация о безопасности и мерах осторожности при работе с материалом.

• Показатель огнестойкости 

Результаты испытаний на устойчивость к горению, обычно проводимые в соответствии со стандартом UL-94, определяющим классификацию пластмасс по огнестойкости от медленного горения до самозатухания в течение 60 секунд.

Электрические характеристики

Электрическое сопротивление – свойство материала сопротивляться прохождению электрического тока. В зависимости от области сопротивления различают:

• Поверхностное сопротивление (Surface resistivity), Ом (Ohm)

• Объёмное сопротивление (Volume resistivity), Ом·метр (Ohm metre)

Узнайте больше о литье полиуретанов:

Доступные материалы
Что такое литьё полиуретана
Рекомендации по проектированию
Литьё полиуретана против литья под давлением

Детали и оборудование из полиуретана | Литейный полиуретан

Физические свойства полиуретана | Насколько тверд полиуретан? | Химическая стойкость полиуретана | Типичные области применения полиуретана

Разнообразные свойства литьевого полиуретана делают его лучшим выбором для инженеров, которым нужны долговечные материалы для работы в условиях высоких нагрузок и нагрузок. Полиуретан обычно превосходит пластик, резину и сталь по общей способности противостоять суровым факторам окружающей среды, таким как истирание, тепло, растворители, масло и кислота. Кроме того, способность полиуретана снижать уровень шума делает его предпочтительным материалом для конструкций цепных приводов, систем конвейерных лент и сборочных линий. В современных производственных условиях, когда стоимость простоя измеряется тысячами долларов в час, невероятная долговечность полиуретана на самом деле увеличивает прибыль вашей компании.

Эта страница содержит подробную информацию о свойствах полиуретана.

Физические свойства полиуретана

Физические свойства полиуретана значительны. Полиуретан хорошо проявляет себя в отношении твердости, прочности на растяжение, прочности на сжатие, ударопрочности, стойкости к истиранию и прочности на разрыв. На приведенной ниже диаграмме показаны физические свойства полиуретана.

Типичные физические свойства компаундов полиуретана

Тип полиуретана	Л42	Л100	Л167	Л315
Твердость, значение дюрометра (АСТМ д676-59Т)	80А	90А	95А	75Д*
Удельный вес	1,07	1. 10	1,13	1,21
Прочность на растяжение, МПа (psi) (АСТМ Д412-61Т)	20,7 (3000)	31,0 (4500)	34,5 (5000)	62,0(9000)
Удлинение при разрыве, % (АСТМ Д412-61Т)	800	450	400	270
100% Модуль упругости, МПа (psi) (АСТМ Д412-61Т)	2,8 (400)	7,6(1100)	12,4(1800)	32,0(4650)
Комплект сжатия, % Метод Б (ASTM D395) Метод А (ASTM D395)**	45 –	27 9	40 10	– 10
Устойчивость, % Отскок (Башор)	–	45	40	45
Ударопрочность, Изод зубчатый Дж/м (фут-фунт/дюйм) (АСТМ D256) 24 градуса по Цельсию (75 градусов по Фаренгейту) -40 градусов по Цельсию (-40 градусов по Фаренгейту)	Согнутый –	Согнутый –	Согнутый –	800,7(15) 58,7 (1,1)
Соленоид Хрупкая температура, Градусы С (Градусы F) (АСТМ D746-57)	Ниже -80 (ниже -120)	Ниже -70 (ниже -94)	Ниже -70) (ниже -94)	-64 (-83)
Индекс истираемости, NBS, % (ASTM D1630, Национальное бюро стандартов)	110	175	400	435
Прочность на разрыв Разделение, кН/м (пли) (АСТМ D470)	12,2(70)	13,1 (75)	26,2 (150)	192,2 (110)
* Шкала D используется для измерения твердости выше 9 по дюрометру5А по дюрометрам Шора, Рекса или Уоллеса. ** Измерено при 9,3 МПа (1350 фунтов на кв. дюйм)

Насколько тверд полиуретан?

На графике слева показаны рейтинги относительной твердости полиуретана по сравнению с резиной и пластиком. Как видите, полиуретан является чрезвычайно универсальным материалом. Лучше всего то, что детали из полиуретана служат дольше, чем детали из резины и пластика.
Нажмите на графику для увеличения изображения

Химическая стойкость полиуретана

Химическая стойкость полиуретана широка для многих веществ. В таблице ниже показана стойкость полиуретана к маслам, химическим веществам и растворителям по отношению к некоторым веществам.

Типичные области применения полиуретана

Отличные несущие и амортизирующие свойства уретана, а также улучшенное соотношение цены и качества делают его предпочтительным материалом для изготовления протекторов шин эскалаторов и лифтов.

Полиуретан заменяет древесные и пластмассовые эластомеры в производстве режущих стержней и высекальных пластин для использования в принтерах, бумагорезательных машинах и машинах для тиснения.

Снижение производственных затрат, повышенная износостойкость и сопротивление истиранию, а также снижение уровня шума делают полиуретан разумным выбором в конструкции цепного привода для машин малого бизнеса.

Полиуретан устраняет дорогостоящий процесс механической установки металлических подшипников-адаптеров в металлические трубы, используемые в конвейерных системах аэропортов.

Полиуретан устраняет общие проблемы, связанные с резиновыми и пластиковыми соединениями при изготовлении роликов для перемещения бумаги, требующих высокого сцепления с поверхностью, не оставляющей следов.

Превосходная несущая способность и широкий диапазон упругости делают полиуретан идеальным материалом для изготовления амортизирующих орудийных установок.

Что такое полиуретан? Состав, получение, свойства, использование и часто задаваемые вопросы

Что такое полиуретан?

Полиуретан

, часто сокращенно PU или PUR, представляет собой органический полимер, который содержит множество органических единиц, связанных молекулами уретана. Большинство полиуретанов не плавятся при нагревании и поэтому могут быть классифицированы как термореактивные полимеры. Однако можно отметить, что некоторые конкретные типы полиуретанов обладают термопластическими свойствами и могут быть расплавлены и переформованы под воздействием тепла.

Традиционные методы получения полиуретанов включают химические реакции между полиолами и ди- или триизоцианатами. Полиуретаны можно рассматривать как чередующиеся сополимеры, поскольку они содержат два вида мономеров, которые полимеризуются один за другим. Также можно отметить, что как полиолы, так и изоцианаты, используемые в качестве мономеров для производства полиуретанов, обычно содержат не менее 2 функциональных групп в каждой молекуле.

Приготовление полиуретана

Полиуретаны, наряду с фенолами, эпоксидными смолами и ненасыщенными полиэфирами, могут быть классифицированы как реакционные полимеры. Их можно получить с помощью химических реакций между диизоцианатами (содержащими не менее двух изоцианатных групп на молекулу) и полиолами (содержащими не менее двух гидроксильных групп на молекулу). Эти реакции обычно требуют присутствия катализатора или некоторого количества ультрафиолетового света, чтобы преодолеть энергетический барьер активации.

Полиолы сами по себе также могут считаться полимерами. Например, простые полиэфирполиолы могут быть получены путем сополимеризации оксида пропилена и оксида этилена вместе с соответствующим предшественником полиола. Также можно отметить, что получение полиэфирполиолов очень похоже на получение полиэфирполиолов. Однако для производства полиуретанов необходимо контролировать длину цепи полиола и функциональность полиола. Известно, что эти факторы влияют на свойства конечных полиуретановых изделий. Например, полиолы, молекулярные массы которых исчисляются сотнями, дают жесткие полиуретаны, тогда как полиолы, молекулярные массы которых исчисляются тысячами, дают относительно гибкие полиуретаны. Таким образом, длину цепи используемого полиола можно рассматривать как фактор, влияющий на гибкость полиуретанового продукта.

Свойства полиуретана

Свойства полиуретанов сильно зависят от способа их производства. Например, если полиольная цепь (используемая в качестве сырья для получения полиуретана) длинная и гибкая, конечный продукт будет мягким и эластичным. С другой стороны, если степень сшивания очень высока, конечный полиуретановый продукт будет жестким и жестким. Сшитая структура полиуретанов обычно состоит из трехмерных сетей, которые придают полимеру очень высокую молекулярную массу. Эта структура также объясняет термореактивный характер полимера, поскольку полиуретан обычно не размягчается и не плавится под воздействием тепла.

Преимущества полиуретанов

Полиуретаны могут превращаться в пены (что является одним из их наиболее желательных свойств). Это достигается за счет облегчения образования газа (обычно двуокиси углерода) в процессе полимеризации уретана. Еще одним преимуществом полиуретана является то, что микроячеистые пенопласты высокой плотности из полимера можно производить без каких-либо пенообразователей.

Применение полиуретана

Ниже перечислены некоторые важные области применения полиуретана.

• Основное применение полиуретана – производство пеноматериалов. Эти пены используются в различных материалах, таких как обивочные ткани, домашняя мебель и листы для холодильников.

Полиуретан

• также используется в некоторых предметах одежды.

Полиуретановые молдинги

• также используются в колоннах и дверных коробках. На самом деле, такие молдинги нередко используются в оконных переплетах и ​​балясинах.
• Пенополиуретан низкой плотности, обладающий гибкостью, широко используется в матрасах и других формах постельных принадлежностей. Они также используются в автомобильных сиденьях и обивке.

Гибкий полиуретан

• также используется в производстве частично эластичных лямок и лент.
• Эластомеры полиуретана низкой плотности широко используются в обувной промышленности.
• Еще одним известным применением полиуретана является производство губок для ванной и кухни. Он также используется в подушках сидений и диванах.

Часто задаваемые вопросы о полиуретане

Q1

Что такое термопластичный полиуретан?

Термопластичный полиуретан, часто сокращенно ТПУ, представляет собой класс полиуретанов, состоящих из термопластичных эластомеров. Их структуры обычно представляют собой линейно-сегментированные блок-сополимеры, состоящие из мягких и твердых сегментов. Желательные свойства термопластичных полиуретанов включают эластичность, маслостойкость, стойкость к жиру, прозрачность и стойкость к истиранию. ТПУ широко используются в электроинструментах, медицинских приборах, спортивных товарах, обуви, самоустанавливающихся колесах и надувных плотах. Еще одним заметным применением термопластичного полиуретана является оболочка кабелей и проводов.

Q2

Для чего используется полиуретан?

Гибкий пенополиуретан широко используется в качестве наполнителя в широком спектре потребительских и промышленных товаров, включая постельные принадлежности, подстилающие ковры, салоны автомобилей, стулья и упаковку. Этот тип пенополиуретана может быть изготовлен практически любой формы и жесткости. Известно, что он легкий, удобный и прочный. Жесткие пенополиуретаны используются в высокоэффективных и гибких теплоизоляционных материалах. Известно, что эти пены значительно снижают затраты на энергию в жилых и коммерческих объектах.

Q3

Как получают полиуретан?

Полиуретаны получают реакцией полиолов (спиртов с более чем двумя реакционноспособными гидроксильными группами в каждой молекуле) с диизоцианатами или полимерными изоцианатами. При необходимости используются подходящие катализаторы и добавки.