Poliuretani: sintesi, proprietà, usi

I poliuretani sono polimeri di condensazione i cui monomeri di partenza sono un diisocianato e un poliolo che contiene due o più gruppi –OH per molecola.

I poliuretani  (PUR )sono un gruppo di polimeri molto versatili la cui sintesi fu scoperta nel 1937 dal chimico industriale tedesco  Otto Bayer della IG Farben che era a capo del gruppo di ricerca. I poliuretani vengono prodotti commercialmente mediante polimerizzazione per addizione di isocianati con composti idrossilici di- e polifunzionali come poliesteri o polieteri con terminazione idrossilica.

I polimeri risultanti sono copolimeri a blocchi segmentati con il segmento poliolo che fornisce un segmento morbido a bassa temperatura di transizione vetrosa (cioè <25°C) e il componente diisocianato, spesso combinato con un estensore di catena idrocarburica, che fornisce il segmento duro

Sintesi dei poliuretani

Gli isocianati aventi formula R-N=C=O sono degli elettrofili e possono reagire con gli alcoli per dare gli uretani:

sintesi uretano
sintesi uretano

la reazione è esotermica ed è catalizzata da basi quali le ammine terziarie. I poliuretani sono prodotti facendo reagire molecole contenenti due gruppi funzionali ovvero un isocianato che contiene due o più gruppi isocianato per molecola (-N=C=O)  con un poliolo che contiene due o più gruppi –OH per molecola in presenza di un catalizzatore:

sintesi poliuretani
sintesi poliuretani

Sebbene siano disponibili molti diisocianati sia aromatici che alifatici a livello industriale, nella sintesi dei poliuretani ne vengono utilizzati solo due: il TDI toluene diisocianato e l’MDI metilendifenil diisocianato:

MDI
MDI

Vi è una differenza fondamentale tra la produzione della maggior parte dei polimeri e quella del poliuretano: i polimeri quali, ad esempio il polietilene e il polipropilene vengono ottenuti in impianti chimici e venduti sotto forma di granuli, polveri o film.

Questi poi riscaldati e a seconda degli articoli da produrre è scelta la tecnologia più opportuna, in base al polimero e alle funzioni caratteristiche richieste. I poliuretani, invece, sono sintetizzati e trasformati direttamente nel prodotto finale. Gran parte dei poliuretani sono prodotti in forma di grandi blocchi di schiuma che sono tagliati e utilizzati per ottenere cuscini in gommapiuma o  utilizzati nel campo dell’edilizia per l’isolamento termico.

Additivi

Tra gli additivi usati nella polimerizzazione per migliorarne la resistenza al calore, ridurne l’ossidazione e proteggerlo dall’invecchiamento, vi sono:

agenti reticolanti che conferiscono al polimero maggiore resistenza meccanica
agenti tensioattivi espandenti per creare una schiuma poliuretanica
riempitivi per migliorare alcune proprietà quali la rigidità
ritardanti di fiamma per ridurre l’infiammabilità del prodotto finale
soppressori di fumo per ridurre la velocità a cui è generato fumo se il poliuretano è bruciato
plastificanti per ridurre la durezza del prodotto

Questi additivi possono includere catalizzatori, che accelerano la reazione chimica per formare il poliuretano; stabilizzanti, per migliorare la resistenza al calore e alla luce; ritardanti di fiamma, per la sicurezza in ambienti a rischio incendio e coloranti per scopi estetici. Esistono anche additivi che migliorano la flessibilità, la durata o forniscono caratteristiche specifiche come proprietà antimicrobiche.

Proprietà

Le proprietà dei poliuretani sono determinate dal tipo di diisocianato e dal poliolo usato. Ad esempio, la polimerizzazione tra diolo come il glicole etilenico e diisocianato porta a un prodotto a catena lunga che si presenta  morbido ed elastico.

Se il poliolo presenta più di due gruppi –OH, il polimero che deriva dalla sua condensazione con il diisocianato si presenta reticolato e pertanto ha caratteristiche diverse dal precedente essendo termoindurente e rigido.

In generale hanno eccellenti proprietà meccaniche, tra cui resistenza all’abrasione, resistenza alla trazione e resistenza alla flessione. Possono sopportare carichi elevati e deformazioni senza danni significativi. Grazie alla loro struttura molecolare, i poliuretani offrono una notevole resistenza all’usura, rendendoli adatti a componenti soggetti a sfregamento , attrito e stress meccanico.

I  poliuretani elastomerici possono deformarsi sotto carico e riprendere la loro forma originale una volta rimosso il carico . Questa proprietà li rende ideali per applicazioni in cui sono richiesti eccellente resilienza e assorbimento degli urti. Possono inoltre offrire eccellenti proprietà di isolamento, sia termico che acustico. Sono spesso utilizzati in applicazioni quali isolamento termico, schiume e guarnizioni fonoassorbenti .

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