Poliuretan - co to jest i do czego służy?

A także czepki pływackie, posadzki żywiczne, uszczelki do okien, pojazdy samobieżne, podeszwy butów, panele akustyczne czy części samochodowe... 

Gdyby nie tytuł tego artykułu bardzo trudno byłoby domyślić się, że chodzi o niezwykły materiał, który został użyty do wykonania ich całości lub części - poliuretan. Każdy z nas codziennie ma z nim styczność. Jak powstał, do czego miał być przeznaczony?

Rządzona od 1933 roku przez Adolfa Hitlera Rzesza Niemiecka nastawiona była wówczas na nowoczesne zbrojenia i przygotowanie podboju Europy. Większość wynalazców z tego okresu pracowało nad innowacjami służącymi armii i jej wyposażeniu. 

Finansowanie i nacisk polityczny znacznie wpłynął na kierunek poszukiwań wynalazców. Choć poliuretan został zsyntetyzowany znacznie wcześniej przez Francuza, Charlesa Adolpha Wurtza w 1849 r., to dopiero w 1937 roku zespół pod przewodnictwem chemika Otto Bayera zatrudniony przez fabrykę IG Farben w Leverkusen opracował podstawy technologii jego produkcji. 

Początkowo materiał był stosowany jako wykończenie samolotów i do wytwarzania wytrzymałej odzieży wojskowej. Podczas II wojny światowej stanowił głównie zamiennik kauczuku, który był drogi i trudno dostępny.

Po zakończeniu wojny Amerykanie zainteresowali się niemieckimi osiągnięciami chemicznymi. W 1945 roku prezydent Truman wydał dekret o rekrutacji niemieckich specjalistów dla amerykańskiego przemysłu. 

Ambitne projekty NASA potrzebowały wsparcia technologicznego. Produkcja promu kosmicznego, jego wyposażenia i odzieży astronautów nie mogła się już obyć bez poliuretanu. 

Rozwiązano problem amortyzacji wstrząsów, którym była poddawana załoga promu w najtrudniejszych momentach misji: startu i lądowania. Wszystko dzięki elastyczności i zdolności pochłaniania energii kinetycznej, jaką daje poliuretan.

Poliuretan jest polimerem złożonym z dwóch surowców: poliolu (poliestru, polietelu lub glikolu) i izocyjanianu. Obie substancje tworzone są na bazie ropy naftowej. Zachodzi między nimi szybka reakcja chemiczna. Odpowiednie stabilizatory, katalizatory i środki spieniające sprawiają, że można uzyskać tworzywa, które mają pożądane właściwości w zależności od potrzeby zastosowania.

Z czego wynika wszechobecność poliuretanu w życiu codziennym? Ma wiele pozytywnych cech! Łatwo się go kształtuje, dzięki czemu produkcja nie wymaga dużych nakładów finansowych. 

Można nim zastąpić inne materiały np. gumę, metale czy trudne w obróbce drewno, a nawet niektóre postacie betonu. Jest lekki, a jego struktura pozwala również na bezproblemowe przetwarzanie. Doskonale izoluje, wypełnia wolne przestrzenie między innymi mniej elastycznymi elementami, można go też bardzo precyzyjnie uformować. 

Ma odporność na wilgoć, a przy tym nie jest materiałem łatwopalnym. Poza tym jest bezpieczny dla zdrowia. Wymienione właściwości poliuretanu sprawiają, że ma on powszechne zastosowanie i ułatwia życie w wielu jego dziedzinach.

Mają postać stałą, powstają wskutek reakcji przeprowadzonej w temperaturze 0°C. W produkcji można uzyskać to tworzywo sztuczne w formie płyt lub otuliny, którą łatwo kształtować. Wykorzystuje się je:

• W przemyśle obuwniczym - do produkcji podeszwy butów. Porządne obuwie trekkingowe znanych firm są projektowane z użyciem tej właśnie technologii, często z wykorzystaniem materiału pochodzącego z recyclingu.
• W hydraulice - jako element izolacji termicznej w formie uszczelek (izolacja lodówek), płyt czy paneli (izolacja budynków). To dzięki poliuretanowym uszczelkom zużycie energii wykorzystywanej przez lodówki klasy AA+ jest mniejsze o 30% w porównaniu z tradycyjnymi lodówkami sprzed dwóch dekad. Mamy również niższą emisję CO2 i realne korzyści finansowe użytkowników.
• W przemyśle samochodowym - części samochodowe w większości są wytwarzane z poliuretanu, np. klamki, elementy tapicerki, fragmenty amortyzatorów
• W medycynie - okazuje się, że poliuretany są zupełnie nietoksyczne, nie wywołują stanów zapalnych oraz zmian składu płynów ustrojowych, a także nie mają właściwości rakotwórczych i nie powodują mutacji. Kolejną wymaganą właściwością jest dobra odporność chemiczna, termiczna oraz odpowiednia wytrzymałość mechaniczna. Dlatego sprawdzają się jako komponent sztucznych narządów np. elementy zastawek sztucznego serca, implanty kręgowe, protezy ortopedyczne, protezy naczyniowe, stawowe, ścięgnowe, materiały opatrunkowe, nici chirurgiczne.
• W sporcie - W wielu dziedzinach sportu poliuretany są stosowane do wyrobu produktów takich jak maty, hantle, sztangi, gumy do ćwiczeń, akcesoria do nauki pływania czy piłki.
• W każdej innej gałęzi przemysłu - W dowolnej maszynie produkcyjnej znaleźć można elementy wykonane z poliuretanu. Części pozbawione poliuretanowego wsparcia miałyby znacznie niższą odporność mechaniczną na ścieranie i szybciej by się zużywały.

Brzmi znajomo dla każdego, kto kiedykolwiek zajmował się remontem lub ulepszaniem swojego domu czy mieszkania. Jak powstają? 

Mieszanina dwóch surowców poddawana jest spienianiu dwutlenkiem węgla na przykład za pomocą wody. Powstaje wówczas polimer o żelowej strukturze, odpowiednie katalizatory regulują jego elastyczność oraz inne cechy. Innymi słowy: jest to poliuretan lity, który otacza pęcherzyki gazu.

• Sztywne pianki poliuretanowe - inaczej: zamknięto komórkowe, składają się z mikroskopijnych zamkniętych pęcherzyków. Nadaje się do izolowania fundamentów, posadzek, zbiorników i basenów, wanien. Piankę można stosować jako materiał do konserwacji ociepleń styropianowych, a także można nią maskować szczeliny dylatacyjne, czyli puste przestrzenie pozostawione jako "margines bezpieczeństwa" materiału podlegającego rozszerzalności cieplnej, czy przemieszczalności elementów konstrukcji. Znajdują także zastosowanie jako element tworzący części samochodowe: amortyzatory, spojlery, zderzaki, fotele. Jeśli chodzi o produkcję wnętrz samochodowych stanowią nawet do 20% wykorzystywanych tworzyw sztucznych. Co ciekawe, sztywne pianki poliuretanowe znacznie zwiększają wyporność statków. Wypełnia się nimi przestrzeń między pokładem a kadłubem.
• Pianki elastyczne - otwarto komórkowe, ich strukturę najlepiej możemy poznać przyglądając się zwykłej gąbce do mycia naczyń. Jest to tworzywo bardzo lekkie, elastyczne, przepuszcza parę, ale izoluje ciepło. Mają szerokie zastosowanie do ocieplania poddaszy, stropów i ścian wewnętrznych. Pianki wykorzystuje się też w przemyśle meblowym jako wyściółka mebli - do produkcji siedzisk, oparć czy też boków mebli tapicerowanych i materacy.

Stosowane na przykład do wyrobu klejów. Materiał ten nie tworzy struktury komórkowej zamkniętej czy otwartej, ale film poliuretanowy znacznie zwiększający siłę klejenia. Zalety klejów powstałych z poliuretanu to krótki czas oczekiwania na wyschnięcie oraz duża przyczepność.

W 1958 roku w laboratorium firmy DuPont wynaleziono elastomery poliuretanowe, czyli elastyczne włókna syntetyczne, które zachowują ciągłość swojej struktury pomimo ich mechanicznego deformowania. Dla nas są znane jako lycra lub elastan. W życiu codziennym rzadko mamy świadomość, że noszona przez nas odzież jest także produktem pochodzącym od ropy naftowej. 

Włókna spandeksowe wykorzystywane do tworzenia mieszanek z bawełną, jedwabiem, wiskozą, nylonem, wełną, właściwie każdym włóknem. Materiał odzieżowy ma wtedy większą odporność na na mechaniczne uszkodzenia i lepiej dopasowuje się do kształtu ciała.

Prawdziwą rewolucję w sporcie na początku XXI wieku zawdzięczamy zastosowaniu poliuretanu w produkcji wyposażenia sportowców (obuwie sportowe i odzież, w szczególności przeznaczona do sportów wodnych). 

O rywalizacji technologicznej momentami było w mediach głośniej niż o samym sporcie. Wielkie firmy wzięły za cel wyprodukowanie cudownego materiału tzw. "skóry rekina". Kostium pływacki z takiego tworzywa minimalizował tarcie wody, zwiększał wyporność i kompresował zmęczone mięśnie sportowca pod koniec wyścigu. 

Kiedy do produkcji strojów zaangażowała się NASA, technologia stanęła na tak wysokim poziomie, że była praktycznie nie do podrobienia przez innych, tym samym kto nie zdobył nowatorskiego produktu nie liczył się w rywalizacji. 

Wiele rekordów pływackich pochodzi właśnie z tego okresu, zawody jednak miały coraz mniej wspólnego ze sportem, a bardziej były efektem podpisanych kontraktów. W związku z tą sytuacją federacja pływacka w 2010 roku i zakazała jakichkolwiek elementów poliuretanowych w kostiumach.

Oczywiście, znalazły się inne zastosowania dla tak wdzięcznego i posłusznego tworzywa. Ubrania codziennego użytku z domieszką spandeksu to powszednia sprawa. Bez nich nie byłoby dzisiejszej mody użytkowej, ale nie byłoby także świata high fashion. 

Materiały z dodatkiem poliuretanu są wykorzystywane jako tworzywo kombinezonów scenicznych, elementy bogato zdobionych fantazyjnych kostiumów, stanowiących oryginalne modowe dzieła sztuki.

W dzisiejszym przemyśle widoczna jest tendencja stosowania coraz większej ilości tworzyw sztucznych. Na podstawie badań wykazano, że odpady tworzyw sztucznych stanowią nawet do 30% odpadów.

Właściwości tworzyw sztucznych, które uznajemy za zalety tj. odporność na czynniki środowiskowe i długi czas rozpadu (nawet 370 lat), powodują coraz większe ilości materiałów polimerowych zalegających na wysypiskach.

Świadomość ekologiczna ludzi sprawia, że nie pozostawia się już tego faktu bez odpowiednich działań.

Pianki poliuretanowe, które zostały uzyskane z odpadów mogą dziś być wykorzystywane ponownie w o wiele tańszy sposób (przy nawet trzykrotnie niższym koszcie) niż tradycyjna produkcja z głównym surowcem oryginalnym.

Co można zrobić z poliuretanu jeszcze raz? Znowu mamy tu zaskakującą mnogość zastosowań! A więc różne rodzaje mat w halach produkcyjnych: maty tłumiące drgania i hałas, maty pochłaniające zanieczyszczenia olejowe.

Ponadto wszelkie izolacje: cieplna izolacja budynków, izolacja lodówek, wewnętrzne izolacje rur ciepłowniczych, izolacje akustyczne w ekranach dźwiękochłonnych, izolacje zwiększające bezpieczeństwo torów saneczkowych i tras narciarskich w obiektach sportowych.

Poliuretan to materiał, który zmienił i nadal zmienia naszą codzienność. Dzięki technologii jego ponownego wykorzystania możemy być pewni, że jeszcze długo będzie towarzyszył ludzkości w coraz to nowych zaskakujących odsłonach.