ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗРАБОТКИ ИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ КЛАССА ПОЛИУРЕТАНОВ ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

к.т.н., Корниенко В.Н., ГНУ ВНИХИ Россельхозакадемии

 

Разработка эффективных, экономичных и экологически безопасных изоляционных материалов и технологических процессов их получения, соответствующих потребностям различных отраслей народного хозяйства, является актуальной инновационной задачей настоящего времени.

Материалы класса полиуретанов за счет огромного разнообразия сырьевых компонентов и их возможных комбинаций, позволяющих в широких пределах регулировать физико-механические свойства таких материалов, могут удовлетворять самые разнообразные требования и способствовать решению конкретных проблем в холодильной промышленности. Так, например, сохранение и эффективное использование промышленного и естественного холода во многом зависит от качества теплоизоляционных покрытий ограждающих конструкций холодильных помещений. С другой стороны, строительные конструкции промышленных холодильников, охлаждаемых складов, холодильных камер хранения пищевой продукции, а также теплообменные поверхности технологического холодильного оборудования остро нуждаются в изоляционной защите от неблагоприятных температурно-влажностных воздействий окружающей среды, а также агрессивных сред техногенного и природного характера.

Оптимальным решением этих задач является подбор однотипных по своему химическому составу и технологии нанесения тепло,- гидро,- паро,- газоизоляционных покрытий, позволяющих осуществлять комплексную защиту строительных и конструкционных материалов при существенном сокращении сроков производства изоляционных работ. При этом используемые материалы должны соответствовать физико-механическим, технологическим и технико-экономическим требованиям, предъявляемым к защитным покрытиям для холодильной техники, например: высокие изоляционные, пенетрационные и адгезионные свойства; химическая, коррозионная и биологическая стойкость; морозостойкость и устойчивость к воздействию знакопеременных температурных нагрузок; долговечность, экологическая безопасность и т.д.

Рисунок 1. Схема применения материалов класса полиуретанов в холодильной промышленности

Сравнительный анализ предлагаемых в настоящее время материалов для получения изоляционных покрытий по ряду технико-экономических показателей, представленных в таблице, показывает, что наиболее обширным и универсальным является класс полиуретанов. Наибольший интерес представляют пенополиуретаны (ППУ) в качестве теплоизоляции и полиуретановые полимеры (ПУП) как защитные покрытия [1].

Таблица

Технико-экономические показатели	Химическая природа материала
	Защитное покрытие					Теплоизоляционное покрытие
	Эпоксидная смола	Метилметакрилат	ПУ-полимер	Полимочевина	Полиэфир	Минвата	ППУ	ПСБ-С
Низкая стоимость	+	−	±	−	+	+	−	±
Технологичность	+	−	+	−	+	±	+	±
Высокая скорость нанесения	−	±	±	+	−	−	+	−
Морозостойкость	±	+	+	+	±	−	+	±
Эластичность	−	±	+	+	±	+	±	−
Ударно-механическая прочность	−	+	+	+	±	−	+	±
Адгезия	±	±	+	−	±	−	+	−
Знакопеременные температуры*	−	+	+	+	−	−	±	±
Высокая влажность*	−	±	+	−	−	−	+	+
Долговечность	±	+	+	+	±	−	+	±
Экологическая безопасность	−	−	+	+	−	−	+	±

* — параметры окружающей среды при нанесении покрытия;
+ — удовлетворительно; /−/ — неудовлетворительно; ± — условно допустимо

Первые полиуретановые покрытия (ПУ-покрытия) были разработаны более 50 лет назад и начали активно использоваться после внедрения и промышленного производства мономерных полиизоцианатов, алифатических диизоцианатов других компонентов современных полиуретановых покрытий. Ярким примером служат напыляемые пенополиуретаны, по праву считающиеся на сегодняшний день самым эффективным термоизолятором.

В 1970-х годах было установлено, что качество окрасочных, ремонтных и защитных покрытий можно значительно улучшить, используя химию полиуретанов, заменив ими широко распространенные алкидные и эпоксидные смолы. В середине 1980-х годов полиуретаны стали широко применять в различных областях: окраска древесины, покрытия для тканей, защита от коррозии.

Значительным достижением явилось создание технологии дозирования двухкомпонентных систем и разработка установок нанесения покрытий методом напыления, что явилось техническим прорывом в строительстве, автомобилестроении и других отраслях промышленности. Отдельно следует отметить такое направление использования полиуретанов как производство пенопластов:

• жесткие пенопласты для теплоизоляции (холодильная промышленность и стройиндустрия);
• энергопоглащающие материалы (автомобилестроение и строительство);
• интегральные пленочные пенопласты (мебельная промышленность, медицина);
• гибкие пенопласты (обивочные и упаковочные материалы).

В настоящее время полиуретаны активно используются в различных отраслях промышленности развитых стран ЕМЕА (Европа, Ближний Восток, Африка). Наиболее распространенные области применения полиуретановых покрытий представлены на рисунке 2. По прогнозам специалистов, только в 2010 году прогнозируется рост рынка потребления сырья для полиуретановых покрытий примерно на 3-5% [2].

Рисунок 2. Потребление полиуретановых покрытий в странах ЕМЕА в 2005 г.

Доля применения материалов класса полиуретанов (ППУ-изоляции) в производстве теплоизоляционных покрытий представлена на рисунке 3, а в изготовлении защитных полимерных покрытий на рисунке 4 [3].

Рисунок 3. Объем производства утеплителей в России в 2003 г.

Главное преимущество защитных ПУ-покрытий при использовании их в холодильной промышленности – широкий спектр областей применения, полная совместимость с наиболее распространенными в настоящее время теплоизоляционными, строительными и конструкционными материалами, а также технологическая универсальность способов получения или нанесения. Использование полиуретанов, благодаря эксплуатационным свойствам получаемых защитных изоляционных покрытий, вытекающих из физико-механических характеристик и химического строения данного класса изоляционных материалов, охватывает огромный спектр областей применения [5].

Рисунок 4. Объем производства сырья для защитных покрытий в странах ЕМЕА в 2005 г.

В настоящее время процесс замещения традиционных изоляционных технологий на более современные продолжается нарастающими темпами во всем мире. Возрастающие требования к качеству и экологии, необходимость оптимизации стоимости получения конечного продукта ставят на передний план задачи по разработке и внедрению полиуретановых одно- и двухкомпонентных материалов с низким содержанием растворителей, без растворителей, водных полиуретановых дисперсий, радиционно отверждаемых систем, систем с использованием нанотехнологических продуктов.

Возможность варьирования свойств ПУ-покрытий за счет включения в исходные композиционные составы различных добавок, например, неорганических частиц в органические составные блоки полиуретановых систем, уменьшение размеров этих добавок до наномасштабной области позволяет получать широкий спектр ПУ-покрытий с заданными свойствами. Благодаря различной функциональности наночастиц, отличающихся морфологией и химической природой, можно регулировать разнообразные свойства нанокомпозитных ПУ-покрытий [4]:
―  проницаемость при использовании пластинчатых селикатов в качестве барьерных веществ с целью снижения миграции жидкостей и газов;
― механическую прочность за счет применения стержнеобразных углеродных нанотрубок и истираемость при использовании сферических наночастиц SiO2 ;
― биоцидную активность в случае применения Аg, Au;
― защиту от УФ-излучения (CeO2, ZnO), отражение ИК-излучения (ZrO2), фотокатализ (TiO2).

Также важен способ введения наночастиц в исходное сырье или рецептуры ПУ-покрытий. Современные способы включают диспергирование наночастиц в полимерной матрице («мокрое» измельчение, струйное диспергирование), создание их посредством золь-гель процессов или микроэмульсионным осаждением в мономерах [5].

Помимо введения наночастиц, в настоящее время пристальное внимание уделяется гибридным нанотехнологиям, которые используют для сочетания органических полимеров с золь-гель процессами. Таким способом можно получать взаимопроникающие трехмерные сетки, осажденные на месте (in situ) наночастицы или комбинированные системы. С помощью этих гибридных технологий можно добиться дальнейшего улучшения водостойкости, адгезии и антикоррозионных свойств ПУ-покрытий [5].

Учитывая огромный интерес к нанотехнологии как к одной из ключевых технологий ХХI века, можно предположить, что новые полиуретановые защитные изоляционные покрытия, созданные на ее основе, будут приобретать все большее значение, а спектр их применения будет значительно расширен. В тоже время, несмотря на первоначальные успехи в данной области, необходимы большие усилия для скорейшего воплощения научно-исследовательских разработок в инновационные продукты с учетом таких проблем как способность к переработке, стоимость, охрана здоровья и окружающей среды.

Список литературы

1. Bock M. Polyurethanes for Coating. – Hannover Germany, 2001. – 227pp.
2. ChemResearch, The global adhesive and sealant industry 2003-2006, at 2004.
3. Теплоизоляционные материалы и конструкции. – М.: ИНФРА-М, 2003. – 268с.
4. Nanotechnology in the Western Europe Coatings Industry, 2006.
5. nformation Research (IRL)H.Schmidt, Considerations about sol-gel process: from the classical sol-gel route to advanced chemical nanotechnologies, J.Sol-Gel Sci. Techn., №40, 2006, 115pp.