Poliuretan jak silikon

 

W marcu 1937 r. Otto Bayer (nie, nie od aspiryny – to zbieg nazwisk) w laboratoriach IG Farben w Leverkusen opatentował metodę poliaddycji polioli i diizocyjanianów. W zależności od tego, jak długie łańcuchy polieterowe (lub poliestrowe) połączymy z alifatycznym bądź aromatycznym TDI/MDI powstaje plastik twardy jak deska lub miękki jak pierzynka puchowa zwany powszechnie poliuretanem (PU, PUR)

Poliuretan ma wiele twarzy a najważniejsze odmiany

Odmiana PU	Co wyróżnia?	Zastosowania (kilka sztandarowych)
Elastyczne pianki	Niska gęstość, sprężystość, tłumienie drgań, (gęstość 12 – 60 kg/m³) – niczym pierze w tradycyjnej pierzynie	materace, fotele samochodowe, meble wypoczynkowe, opakowania
Sztywne pianki	Wysoka sztywność i zamknięte komórki powietrzne, (Shore A = 15 – 95),	izolacja lodówek, paneli ściennych, piany natryskowe SPF
Elastomery	Wysoka odporność na ścieranie, można formować precyzyjne detale, (Shore D > 60).	kółka do deskorolek, rolki przenośników, uszczelki dynamiczne
Powłoki i lakiery	Doskonała przyczepność, wysoka odporność chemiczna	lakier bezbarwny w motoryzacji, parkiety, skóra sztuczna (PU-leather)
Kleje i uszczelniacze PU	Jedno- lub dwukomponentowe, silna adhezja	montaż okien, klejenie paneli, strukturalne klejenie nadwozi

Dlaczego inżynierowie i projektanci lubią poliuretan ?

• Trwałość mechaniczna – od miękkiej pianki po stalowy „podkład” w jednym łańcuchu chemicznym.
• Odporność chemiczna i pogodowa (szczególnie powłoki PU).
• Niska przewodność cieplna (sztywne pianki to klasa wśród izolatorów).
• Łatwość formowania: wylewasz, spienia się, zastygasz – gotowe; albo termoplastyczny TPU, który da się wtrysnąć drugi raz.

Odwaga patrzeć w przyszłość

W ostatnich latach rośnie presja na recykling i bio-surowce. Przemysł (np. Covestro) testuje chemiczne recyklingi pianek materacowych, odzyskując zarówno poliol, jak i toluenodiizocyjanian – czyli zamykając obieg niczym w dawnym gospodarstwie, gdzie „nic się nie marnuje” to też jedna z kolejnych przyczyn zwiększonej popularności poliuretanu w ostatnich latach.

Tabelka porównawcza PU / silikon

Właściwość	Poliuretan	Silikon
Zakres temperatur	–40 °C → +120 °C (typowe)	–60 °C → +250 °C (high-temp)
Odporność na paliwa	dobra (szczególnie PU-ester)	przeciętna, chyba że fluorosilikon
Twardość	od gąbki 15 ShA do elastomeru 95 ShA	zwykle 10-80 ShA*
Cena surowca	zwykle niższa	wyższa
Typowe gniazdo	fotele, rolki, pianki izolacyjne	uszczelki ekspresów, obudowy lamp LED

* Skala twardości Shore'a, typ A (ShA), jest narzędziem w doborze odpowiednich uszczelek gumowych. Wartości w zakresie 60–70 ShA są powszechnie stosowane w przemyśle, zapewniając doskonałe dopasowanie do kształtu i idealną izolację.

Silikon (ang. silicone) to wielka rodzina syntetycznych polimerów opartych na łańcuchu krzem–tlen–krzem (-Si-O-Si-) z przyczepionymi grupami organicznymi. Taka hybrydowa budowa łączy stabilność szkła (krzemionka) z elastycznością kauczuku, tworząc materiał odporny na skrajne temperatury, promieniowanie UV i większość chemikaliów.

Najważniejsze odmiany silikonów (w dużym uproszczeniu)

Forma	Co ją wyróżnia	Gdzie stosować
Olej silikonowy	Klarowna ciecz, lepkość od wody po melasę	smary, oleje tłumiące, kosmetyki „anti-frizz”
Guma/elastomer (RTV, HTV, LSR)	Sprężysta, 10-80 ShA; utwardza się na zimno lub gorąco	uszczelki, foremki do ciast, maski medyczne
Żywica silikonowa	Twarda, sieciowana, odporna na ar- temperaturowe	lakier bezbarwny na lampy LED, powłoki odp. na UV
Silikonowy żel	Galaretka, doskonałe tłumienie drgań	kapsułkowanie elektroniki, wkładki ortopedyczne

Poliuretany to tradycyjna solidność w nowoczesnym wydaniu, czyli dlaczego „guma z izocyjanianu” potrafi zastąpić silikon

Jak już wspomniałem poliuretan powstaje z „małżeństwa” poliolu i izocyjanianu. W zależności od tego, jak długie łańcuchy polieterowe (lub poliestrowe) połączymy z alifatycznym bądź aromatycznym TDI/MDI, otrzymujemy różne materiały.

Ta elastyczność syntetyczna pozwala projektować właściwości „na zamówienie”, od elastycznej pianki, sztywnej pianki przez elastomery i powłoki oraz lakiery do klejów i uszczelniaczy PU. Silikon nie ma tak szerokiego zakresu produktów.

Temperatury i odporność środowiskowa poliuretanu i silikonu

Parametr	Poliuretan (PU)	Silikon (Si)
Typowy zakres pracy	–40 °C → +120 °C (specj. +150 °C)	–60 °C → +250 °C
Odporność na paliwa	Bardzo dobra (PU-ester, TPU)	Słaba – pęcznieje lub pęka
Odporność na ścieranie	Wyśmienita – 3-10× lepsza niż Si	Przeciętna
Przepuszczalność gazów	Niska (bariera)	Wysoka (oddycha)

 

Z tabeli odporności widać ,że kiedy uszczelka pracuje w skrzyni biegów, zbiorniku paliwa czy w sprężarce klimatyzacji, poliuretan utrzyma formę i nie naciągnie paliwa jak gąbka, silikon tam się nie sprawdzi. Jeśli jednak maszynę czeka piekarnik powyżej 200 °C – silikon odzyska swą zwycięską koronę.

Poliuretany wytwarzane na uszczelki które zastępują silikon to głównie

1. Elastomery wylewane (CAST PU) - Dwuskładnikowe systemy opóźnione umożliwiają dokładne odgazowanie i odlanie pierścieni o średnicy nawet 1,5 m bez pęcherzy. Po 24 h mamy gumę 90 ShA, która przy ściskaniu 20 % wraca do kształtu jak sprężyna kieszeniowa.
2. TPU (Thermoplastic Polyurethane) - Wtrysk w 200 °C daje precyzyjne profilowe uszczelki do lamp LED, w których rant ma zaledwie 0,3 mm. Tam silikon traci precyzję (skurcz) albo wymaga drogiego LSR-mouldingu. TPU po wyjęciu z formy nie wymaga dodatkowego wygrzewania.
3. Jedno- i dwukomponentowe kleje/uszczelniacze PU - Zwilżają metal, szkło i beton : adhezja 2–4 MPa bez primera. Silikon dla podobnej przyczepności woła o silanowy podkład.

Mechaniczne właściwości i sprężystość poliuretanu

• Twardość i sztywność – tam, gdzie uszczelka stanowi jednocześnie element dystansowy (np. ramki akumulatorów EV), PU o 70 ShD przenosi ściskanie >40 MPa bez płynięcia. Silikon odda pole po 8 – 10 MPa.
• Odporność dynamiczna – kółka PU w wózkach magazynowych zjeżdżają po tonę dziennie przez trzy lata; silikonowe bliźniaki wycierałyby się jak kreda na szkolnej tablicy.
• Zmęczenie i rozdarcie – współczynnik rozdzierania PU (80 – 120 kN/m) bije silikon (15 – 25 kN/m) na głowę, co czyni poliuretan idealnym do uszczelnień ruchowych, przegubów i mieszków ochronnych.

Parametry poliuretanu i silikonu

Kategoria	PU	Si
Czas cyklu wtrysku	30–60 s (TPU)	180–240 s (LSR)
Wymagane ciśnienie	500–1200 bar	800–1500 bar
Cena surowca (€/kg, Europa)	3–7	7–15
Recykling	Regrind TPU + chemoliza pianek → poliol	Recykling trudny, gł. spalenie
Dostępność form chem bio-PU	rośnie (poliole sojowe, CO₂-based)	marginalna

 

 

Szczególnie w produkcji masowej (np. uszczelki do AGD liczone w milionach szt.) krótszy cykl PU przekłada się na realne oszczędności energii i amortyzacji formy.

 

Wady poliuretanu

• Hydroliza poliestru – w tropikach i przy 90 % RH poliester-PU może „sproszkować się” po kilku latach. Rozwiązanie: zastosować polieterowy poliol + stabilizatory karbodiimidowe.
• Żółknięcie UV – aromatyczny MDI/TDI lubi zżółknąć.. Do aplikacji outdoor: alifatyczne izocyjaniany HDI / IPDI.
• Odporność na gorącą parę – powyżej 120 °C wilgotna para bije w wiązania uretydowe. Jeśli uszczelka pracuje w autoklawie 134 °C, wybierz silikon lub PU-siloxane hybrydę.

 

Przykładowe korzyści z zamiany silikonu na poliuretan.

Producent silników diesla klasy Euro VI zamienił silikon RTV (czerwony, 250 °C) na FIPG z poliuretanu o 70 ShA. Wynik po 2 latach eksploatacji 150 000 km:

• zero przecieków, mimo wyższych drgań montażu „downsizing”;
• skrócenie czasu taktowego w montażu z 35 s (demineralizacja RTV) do 18 s;
• oszczędność ~0,9 €/silnik i redukcja odpadów o 24 %.

Dla użytkownika końcowego różnica niewidoczna – dla księgowego i ekologa ogromna.

Perspektywa na jutro – wszędzie tam gdzie technicznie jest to możliwe zalecany jest poliuretan

Badania nad bio-based poliolami (soja, rzepak, lignina) i up-cyclingiem pianek meblowych tworzą zamknięty obieg surowcowy. Dodatkowo TPU w postaci proszku idealnie nadaje się do druku SLS, co otwiera rynek uszczelek addytywnych. Silikon w segmentach 3D-print dopiero raczkuje.

 

Reasumując to dlatego warto dać PU szansę

• Mechaniczna siła i odporność na chemikalia czynią go strażnikiem szczelności w olejach, paliwach i dynamicznym ściskaniu.
• Szybsza, tańsza obróbka przekłada się na koszt jednostkowy i ślad węglowy.
• Elastyczność projektowa (od piany 12 kg/m³ po elastomer 95 ShA) pozwala obsłużyć 80 % zadań, w których dziś domyślnie ląduje silikon.
• Nowe bio- i recyklingowe ścieżki wpisują się w gospodarkę obiegu zamkniętego, podczas gdy silikon nadal czeka na skalowalne rozwiązania.

Gdyby średniowieczny bednarz znał poliuretan, jego beczki przetrwałyby do dziś – ale i tak ceniłby materiał, który można „uszyć” dokładnie pod zadanie. W świecie XXI w. poliuretan staje się właśnie takim rzemieślnikiem wysokiej chemii: wszechstronnym, mocnym i coraz bardziej ekologicznym. Warto więc, by inżynier rozważył PU za każdym razem, gdy silikon wydaje się „jedyną możliwą” opcją. Bo czasem najlepszą innowacją jest… powrót do solidnych korzeni, tylko w nowej, izocyjanianowej szacie.

W ofercie sklepu internetowego https://abscmt.pl/index.php?id_category=6&controller=category

i sklepu

https://sklepsmary.pl

można kupić wiele kolorowych silikonów i poliuretanów . Jeżeli nie znalazłeś silikonu właściwego koloru to możesz go zamówić wysyłając zapytanie na adres : lozyska@elub.pl lub sklep@elub.pl