Полиурея: состав, свойства и применение эластомеров.

Введение

Класс эластомеров

Полиурея – это тип эластомера, получаемый в результате реакции изоцианатного и аминового компонентов. Изоцианат может быть ароматическим или алифатическим. Он может представлять собой мономер, полимер или любую модифицированную реакцию изоцианатов, квази-предполимер или предполимер. Предполимер или квази-предполимер может быть изготовлен из полимерной смолы, завершенной аминогруппами, или полимерной смолы, завершенной гидроксильными группами. Смесь смол может состоять из полимерных смол, завершенных аминогруппами, и/или удлинителей цепи, завершенных аминогруппами. Полимерные смолы, завершенные аминогруппами, не содержат намеренных гидроксильных групп. Наличие гидроксильных групп обусловлено неполным превращением в полимерные смолы, завершенные аминогруппами. Смесь смол также может содержать добавки или второстепенные компоненты. Эти добавки могут содержать гидроксильные группы, например, предварительно диспергированные пигменты в полиоловом носителе. Обычно смоловая смесь не содержит катализаторов, поскольку реакция между изоцианатом и амином протекает чрезвычайно быстро и не требует катализа.

Полимерная структура

Слово полиурея происходит от греческих слов πολυ (poly), означающего "многие", и ουρίας (oûron), означающего "мочеиспускание" (отсылка к веществу мочевина, содержащемуся в моче). Мочевина, или карбамид, – это органическое соединение с химической формулой (NH2)2CO. Молекула содержит две аминогруппы (–NH2), соединенные карбонильной функциональной группой (C=O). В полиурее чередующиеся мономерные звенья изоцианатов и аминов реагируют друг с другом, образуя мочевинные связи. Мочевины также могут образовываться в результате реакции изоцианатов с водой, в ходе которой образуется промежуточный продукт – карбаминовая кислота. Эта кислота быстро разлагается с выделением углекислого газа и образованием амина. Затем этот амин реагирует с другой изоцианатной группой, формируя полиурейную связь. Эта двухступенчатая реакция используется для получения материала, который обычно, но ошибочно называют полиуретановой пеной. Углекислый газ, выделяющийся в этой реакции, является основным вспенивающим агентом, особенно в многих полиуретановых пенах, которые точнее следует называть полиуретан/мочевинными пенами.

Применение

Полиуреин и полиуретан – это сополимеры, используемые в производстве спандекса, который был изобретен в 1959 году. Полиуреин изначально был разработан для применения в автомобильной промышленности в 1980-х годах, но впоследствии нашел применение и в других областях, например, для защиты кромок столешниц. Его высокая скорость реакции и относительная нечувствительность к влаге сделали его полезным для покрытий на больших площадях, таких как вторичная обваловка, покрытия для канализационных люков и тоннелей, футеровка резервуаров и покрытия кузовов грузовиков. При правильной подготовке поверхности и использовании грунта достигается отличная адгезия к бетону и стали. Его также можно использовать для напыления и изготовления брони. Некоторые полиуреи достигают прочности на растяжение 40 МПа (6000 psi) и относительного удлинения более 500%, что делает их прочным покрытием. Быстрое время отверждения позволяет быстро наносить несколько слоев. Высокая прочность, ударопрочность и износостойкость полиуреевых покрытий – ключевая причина их применения. В 2014 году был продемонстрирован материал на основе полиуреэластомера, обладающий способностью к самовосстановлению, срастаясь после разрезания пополам. Материал также включает в себя недорогие, коммерчески доступные соединения. Молекулы эластомера были модифицированы, что увеличило длину связей между ними. В результате полученные молекулы легче разъединяются друг от друга и лучше восстанавливают связь при комнатной температуре, сохраняя почти ту же прочность. Восстановление связи может быть повторено. Эластичные самовосстанавливающиеся краски и другие покрытия недавно приблизились к широкому применению благодаря исследованиям, проводимым в Университете Иллинойса. Ученые использовали "коммерчески доступные" компоненты для создания полимера, который срастается после разрезания пополам без добавления каких-либо химических веществ. Полиуреин стал предпочтительным долговечным решением для узких лодок (narrowboats). Традиционное битумное покрытие, известное как "blacking", заменяется практикой использования полиуреевых покрытий. Наиболее очевидное преимущество заключается в том, что нет необходимости повторно наносить покрытие каждые 3–4 года. Считается, что полиуреевые покрытия служат 25–30 лет. Коммерческие торговые марки полиуреи включают Line X, GLS 100R и Pentens SPU 1000, и это лишь некоторые из них. Существует множество возможных составов полиуреи. Ассоциация развития полиуреи (Polyurea Development Association) – это отраслевая ассоциация, представляющая интересы производителей полиуреевых покрытий.

Polyurea and polyurethane are copolymers used in the manufacture of spandex, which was invented in 1959. Polyurea was originally developed in automotive applications in the 1980s but other applications such as protecting tabletop edges followed. Its fast reactivity and relative moisture insensitivity made it useful for coatings on large surface area projects, such as secondary containment, manhole and tunnel coatings, tank liners, and truck bed liners. Excellent adhesion to concrete and steel is obtained with the proper primer and surface treatment. They can also be used for spray molding and armor. Some polyureas reach strengths of 40 MPa (6000 psi) tensile and over 500% elongation making it a tough coating. The quick cure time allows many coats to be built up quickly. The high strength, impact and abrasion resistance of polyurea coatings is a key reason for their use. In 2014, a polyurea elastomer based material was shown to be self healing, melding together after being cut in half. The material also includes inexpensive commercially available compounds. The elastomer molecules were tweaked, making the bonds between them longer. The resulting molecules are easier to pull apart from one another and better able to rebond at room temperature with almost the same strength. The rebonding can be repeated. Elastic, self healing paints and other coatings recently took a step closer to common use, thanks to research being conducted at the University of Illinois. Scientists there have used "off the shelf" components to create a polymer that melds back together after being cut in half, without the addition of other chemicals. Polyurea has become a preferred long term solution for narrowboats. The traditional coating with bitumen, known as "blacking" is being replaced with the practice of using polyurea coatings. The clearest advantage is that it is not necessary to reapply a coat every 3–4 years. It is thought that polyurea coatings last 25–30 years. Commercial trademarks for Polyurea include Line X, GLS 100R, and Pentens SPU 1000, to name a few. There are multiple possible polyurea formulations. The Polyurea Development Association is a trade association that represents the interests of polyurea coating manufacturers.