Polüuretaan

Ajalugu 
Polüuretaani leiutas Saksa keemiku Otto Bayeri uurimisgrupp 1937. aastal IG Farbenis (Saksa keemia ja farmaatsia konglomeraadis), Leverkusenis, Saksamaal. Esmased tööd keskendusid fiibrite ja elastsete vahtude tootmisele. Lihtsa valmistusmeetodi ja materjali vajalikke omaduste tõttu kasutati polüuretaani ka sõjatööstuses, näiteks lakina metallil, puidul, müüritistel, ka lennukite kattena Teise maailmasõja ajal. Lisaks immutati polüuretaaniga kangaid, eesmärgil tagada vastupidavus ipriidile ehk sinepigaasile, mis oli kasutusel keemiarelvana. Kaubandusse jõudis polüuretaan esmakordselt 1948. aastal USAs. Tegemist oli isolatsioonmaterjaliks mõeldud jäiga vahtmaterjaliga. Polüisotsüanaadid jõudsid turule 1952. aastal ning elastse vahu ehk porolooni tootmine algas 1954. aastal. Nendest materjalidest hakati tootma jäikasid vahte, kumme ja elastomeere. 

 Keemia 
Uretaansidemete vahel on võimalik vesiniksidemete moodustumine. Seepärast on polüuretaanid oma omadustelt sarnased polüamiididega, kuid on mõnevõrra madalama Ts-ga, vähem hügroskoopsed ja vähem tugevad. Tavaliselt on polüuretaanid kristalsed kõvad termoplastid, millest saab tõmmata kiudu. Kui R või R' on pikad ja painduvad rühmad, siis on polümeer pehme, elastne ja sellele on iseloomulik madalam sulamistemperatuur. Kui monomeeris on enam kui kaks OH-rühma, siis on võimalik põikseotud võrestikpolümeeri teke.  

Polüooli poolt moodustatud pikad ja painduvad segmendid annavad pehme ja elastse polümeeri. Suur hulk ristseoseid annab tugevaid või jäiku polümeere. Pikad ahelad ja madal ristseostumine annavad väga veniva polümeeri, lühikesed ahelad paljude ristseostumisega annavad kõva polümeeri, samas kui pikad ahelad ja vahepealne ristseostumine annavad polümeeri, mis on kasulik vahu valmistamiseks. 

Polükarbamiidide iseloomulikuks tunnuseks on monomeeridevahelise karbamiidsideme olemasolu polümeeriahelas. Polükarbamiididest on suurima praktilise tähtsusega aminoplastide hulka kuuluvad termoreaktiplastid, mis saadakse karbamiidi ehk uurea ja metanaali ehk formaldehüüdi kondensatsioonil ja mida tuntakse kui karbamiidformaldehüüdvaike (UF). UF- vaigud on kõvad, tugevad, hea valguskindlusega mittepõlevad materjalid, mis taluvad hästi orgaanilisi lahusteid. Nad ei lahustu märkimisväärselt orgaanilistes lahustites. Võrreldes fenoolformaldehüüdvaikudega on nende eeliseks madalam hind. Nende kasutamist soodustab ka hele värvitoon, lõhna puudumine ja parem valguskindlus. Samas on nende puudusteks madalam kuumakindlus ja suurem tundlikkus niiskuse suhtes. Neid vaike kasutatakse peamiselt puiduliimidena laminaatide ja puitlaastplaatide tootmisel, samuti pinnakatetena, vormimisvaiguna ja kõva vahtplasti kujul odava soojusisolatsioonimaterjalina. 

Vahtmaterjalid on suurim rakendusala, moodustades 2016. aastal 67% kogu toodetud polüuretaanist. Vahu valmistamiseks on vajalik gaas või puhumisaine juuresolek polümerisatsiooni ajal. Tihti saavutatakse see lisades vähesel määral vett, mis reageerib isotsüanaadiga ja tekitades CO2 gaasi ja amiini. Tekkinud amiin võib reageerida isotsüanaadiga moodustades uurea rühmasid. Uurea rühm ei ole vastavas segus eriti lahustuv moodustades eraldi "kõva segmendi" sisaldades enamasti polüuuread. Nende polüureate faaside kontsentratsioon ja paigutus võivad suuresti mõjutada vahu omadusi. Vahu omadusi saab kontrollida reguleerides puhumisaine kogust või lisades pindaktiivseid aineid, mis muudab polümeersegu reoloogiat. Vaht saab olla kas "suletud pooridega", kus mullid on terviklikud või "avatud pooridega", mis tähendab, et mullid on katki, kuid nende servad on piisavalt jäigad, et säilitada kuju. Ekstreemsetes olukordades on saavutatav ka võrkjas vaht. Avatud pooridega vahud on pehmed, sest õhk saab vabalt liikuda, seepäarast on need kasutusel istmepatjades ja madratsites. Suletud pooridega vahud on aga jäigad ja kasutusel soojusisolatsioonidena. Kõrge tihedusega mikrotsellulaarne vaht on saavutatav ka ilma puhumisaineta, polüooli mehaanilisel vahustamisel enne kasutamist. Need on kõvad elastomeersed materjalid, kasutatakse auto rooli katmiseks ja kinga taldadeks. 

 Valmistamine 
Polüuretaane toodetakse kahe või enama vedela voo segamise teel. Polüooli voog sisaldab katalüsaatoreid, pindaktiivseid aineid, paisumisaineid (polüuretaanvahtisolatsiooni valmistamisel) jne. Neid kahte komponenti nimetatakse polüuretaansüsteemiks või lihtsalt süsteemiks. Isotsüanaati nimetatakse Põhja-Ameerikas tavaliselt A-pooleks või lihtsalt iso-ks. Polüoolide ja muude lisandite segu nimetatakse tavaliselt B-pooleks või polüks. Seda segu võidakse nimetada ka vaiguks või vaiguseguks. Euroopas on A-poole ja B-poole tähendused vastupidised. Vaigusegude lisandid võivad sisaldada ahela pikendajaid, ristseoseid, pindaktiivseid aineid, leegiaeglusteid, paisumisaineid, pigmente ja täiteaineid. Polüuretaani saab valmistada erineva tiheduse ja kõvadusega, varieerides isotsüanaati, polüooli või lisandeid. 

 Kasutus 
pisi|Pehmest PUR-vahust svammidSõltuvalt tootmisel kasutatavate isotsüonaatide ja olioolide liigist ja kasutatavast tehnoloogiast on võimalik toota termoplastseid (kuumutamisel pehmenevaid ning jahtumisel taas kõvenevaid) ja termoreaktiivseid (kuumutamisel jäävalt kõvenevaid), elastseid ja hapraid, vahustatult pehmeid ja jäiku materjale, sealjuures avatud või suletud pooridega.

Polüuretaanist plastmaterjalidel ja -toodetel on hea heli-, soojus- ja elektriisolatsiooni võime, samuti külma-, niiskus- ja kulumiskindlus. 

Polüuretaan leiab laialdast kasutamist mitmel kujul:
jäigad vahturetaanmaterjalid on kasutusel soojusisolatsioonimaterjalina ehitistes (soojustusplaatidena ja montaaživahu kujul tühimike täitmiseks), samuti torustikes ja külmikutes; 
elastsest polüuretaanist saadakse kulumiskindlat tehisnahka (jalatsitööstusele);
pehme vahtpolüuretaan (poroloon) on laialt kasutusel mööblis, autoistmetes, madratsites ja patjades;
polüuretaanvaigust valmistatakse valumeetodil mitmesuguseid detaile (rattad, laagrid, puksid), täiendosi, töövahendeid ja -riistu;
polüuretaanilisand liimides, lakkides jm pinnakatetes tagab head nakkumisomadused, ilmastikukindluse ja vastupidavuse keemiliste välismõjude suhtes;
lineaarse peaahelaga polüuretaanist saab tõmmata kiudu, fiibreid ja toota kiudainet tekstiiltoodete valmistamiseks.

 Tervis ja ohutus 
Täielikult valminud polüuretaan on keemiliselt inertne. Polüuretaanid on süttivad. Tulekahjus lagunedes võib lisaks lämmastikoksiididele, isotsüanaatidele ja muudele mürgistele toodetele tekkida märkimisväärne kogus süsinikmonooksiidi ja vesiniktsüaniidi. Materjali süttivuse tõttu tuleb seda töödelda leegiaeglustitega (vähemalt mööbli puhul), millest peaaegu kõiki peetakse kahjulikeks.  

Polüuretaanid võivad hüdrolüüsi tõttu laguneda. See on levinud probleem, kui jalanõud on kappi jäetud ja need reageerivad õhuniiskusega. 

 Välislingid 
 Karoliine Korol. Lubage tutvustada – polüuretaan!
Seymour, Raymond B.; Kauffman, George B. (1992). "Polyurethanes: A class of modern versatile materials". Journal of Chemical Education. 69 (11): 909. 
Olavi Loog, Heiki Timotheus, Jaak Järv. Orgaanilised polümeerid, Tartu Ülikooli kirjastus.
Gama, Nuno; Ferreira, Artur; Barros-Timmons, Ana (27 September 2018). "Polyurethane Foams: Past, Present, and Future"
 Kaushiva, Byran D. (August 15, 1999). "Structure-Property Relationships of Flexible Polyurethane Foams" (Ph.D.). Virginia Polytechnic Institute.
"Hydrolysis, the crumbling of shoe soles explained"

Kategooria:Polümeerid