Własności poliuretanów

Powszechną cechą poliuretanów jest ich odporność na wodę oraz czynniki atmosferyczne, dość dobra odporność na smary, oleje, rozpuszczalniki organiczne oraz rozcieńczone zasady i kwasy. Kleje poliuretanowe mają dobrą przyczepność do dużej liczby materiałów, a także jest możliwe nadanie im pożądanej elastyczności. Wobec tego są niezawodne przy łączeniu w jedną całość elastycznych pianek z takim materiałami jak tkanina. Powłoki mające właściwości ochronne charakteryzują się bardzo dobrym przyleganiem do podłoża, wytrzymałością na zadrapania oraz urazy będące wynikiem działań mechanicznych, natomiast lakierom o wyraźnym połysku w prosty sposób można nadawać kolor przy użyciu pigmentów. Są przy tym odporne na reakcje chemiczne oraz oddziaływanie z olejami, z powodu wysokiej stałej dielektrycznej odnajdują zastosowanie przy powłokach izolacyjnych. O wiele lepszą od kauczuków wytrzymałość mają elastomery poliuretanowe, mają one też wyższe wartości wskaźników elastyczności oraz wydłużenia.

Doświadczenie wykazało zależność między budową cząsteczkową związków polimerowych a ich własnościami chemicznymi i fizykochemicznymi. Czynniki, które istotnie wpłynęły na cechy polimerów to; kształt cząsteczki, jej ciężar cząsteczkowy, siły spajające atomy w cząsteczkę oraz siły międzycząsteczkowe, brak elastyczności łańcuchów bądź zdolność do ruchów obrotowych jego rodników, czy łączenia łańcuchów na skutek powstawania mostków (sieciowanie).

Z podwyższeniem wartości ciężaru cząsteczkowego, poliuretan będzie gorzej się rozpuszczał i posiadał wyższą; temperaturę topnienia, elastyczność, twardość oraz wytrzymałość. Odmienną relacje zauważyć można pomiędzy wielkością meru a temperaturą topnienia. Dla związków takich jak poliuretany, poliamidy lub polimoczniki wraz z powiększeniem się meru, maleje temperatura topnienia, oraz inne własności takie jak; twardość, wytrzymałość mechaniczna czy rozpuszczalność, na które znacząco wpływa oddziaływanie sił międzycząsteczkowych. Możliwa obecność krystalitów sprawia, że własności takie jak wytrzymałość, twardość i temperatura topnienia podwyższają swoją wartość, a rozpuszczalność, sprężystość, rozciągliwość oraz elastyczność się obniża. Podobny wpływ ma łańcuch usieciowany poprzez główne wiązania.

Obecność różnych rodników obecnych w cząsteczce poliuretanu wpływa na strukturę przestrzenną oraz budowę fizyczną. Przykładowo wraz z grupą eterową dodaje się bardziej swobodne wiązanie do łańcucha poliuretanowego, po to aby grupa atomów mogła z większą łatwością poruszać się wokół wiązania. Dzięki swobodzie obrotu grupy atomów dookoła eterowego wiązania częściowo wzrasta ruchliwość cząstki, co powoduje lepszą elastyczność poliuretanu.

Substratami w otrzymywaniu poliuretanów są zazwyczaj glikole, polietery posiadające grupy -OH, poliestry oraz di-izocyjaniany.

Bayer był pierwszym uczonym, który zbadał jak oddziałuje budowa izocyjanianu na cechy poliuretanu, który powstał. Śledził on m. in. relację pomiędzy temperaturą topnienia powstałego poliuretanu a liczbą atomową węgla łańcucha alifatycznego di-izocyjaniany.

Im bardziej długość cząsteczki izocyjanianu rośnie tym temperatura topnienia dla poliuretanów maleje.

Poliuretany otrzymywane z di-izocyjanianów o parzystej liczbie atomów C w łańcuchu posiadają wyższą temperaturę topnienia niż polimery uretanowe o nieparzystej liczbie atomów C w cząsteczce. Ta nieregularność jest związana ze procesem, tzw. dostosowania geometrycznego molekuł. Di-izocyjaniany o parzystej liczbie C w łańcuchu mają wygląd przestrzenny i występują w nich silniejsze siły pomiędzy cząstkami.

Temperatura topnienia poliuretanów ma zakres w przybliżeniu od 120°C do 250°C. Wraz ze wzrostem łańcucha izocyjanianowego przykładowo z 4 do 8 atomów C spadek temperatury obserwuje się ze 180°C do 153°C. Na przyrost takich cech jak odporność na wytrzymałość, moduł elastyczności czy twardość ma wpływ istnienie symetrycznej struktury oraz pierścieni aromatycznych. Spowodowana wbudowaniem grupy metylowej niesymetryczność redukuje te właściwości. Odporność na rozciąganie ma wartość w zakresie 50-160 [kG/cm3], natomiast wydłużenie osiąga wartość nawet do 830 %.

Struktura glikoli, czyli kolejnego podstawowego składnika poliuretanów ma wpływ na ich właściwości. Od długości łańcucha glikolu etylowego zależy obniżenie temperatury topnienia oraz wzrost elastyczności uzyskanego polimeru. W celu usztywnienia struktury wprowadza się pierścień aromatyczny, który zwiększa własności mechaniczne i twardość poliuretanów. Natomiast wprowadzony rodnik eterowy powoduje przeciwny skutek, maleje wówczas temperatura topnienia oraz odporność mechaniczna zwiększa się natomiast elastyczność. Przybliżone rezultaty otrzymuje się wraz z obniżeniem symetryczności cząsteczki, przykładowo w skutek rozgałęzienia łańcucha. Istotną cechą związków poliuretanowych jest ich stopień usieciowania. Istnieje wyraźna relacja pomiędzy sieciowaniem a wydłużeniem łańcucha. Przy wyższym stopniu usieciowania i niższym ciężarze fragmentu cząsteczki przysługującego wiązaniu sieciującemu maleje możliwość do maksymalnego wydłużenia. W inny sposób zmienia się odporność na rozciąganie, twardość polimeru czy jego współczynnik wydłużenia 100%.

Reasumując należy szczególnie zaznaczyć, że najistotniejszą rolę we właściwościach poliuretanów odgrywa długość łańcucha cząsteczek oraz siła oddziaływająca pomiędzy nimi. Wzmacniając lub osłabiając siły pomiędzy cząsteczkami reguluje się właściwościami poliuretanów. Upakowanie łańcucha, budowa symetryczna cząsteczki, ich orientacja, wysoki stopień usieciowania mają wpływ na wzrost oddziaływania sił spalających w cząsteczce. Występowanie grup np. estrowej jest przyczyną asymetryczności w budowie cząsteczkowej, nieuporządkowania cząsteczek oraz obniżenie sił między nimi.

Poza wymienionymi cechami chemicznymi własności poliuretanu zależą od np. temperatury, warunków powstawania, sposobu dodawania składników oraz ich budowy strukturalnej, a także stosowalności substancji przyspieszających polimeryzację.