Полиуретановые клеи

1. Введение

Полиуретановые клеи – это синтетические вещества на основе полиуретановых полимеров, обладающие высокой адгезией к различным материалам. Их ключевое преимущество – универсальность: они обеспечивают прочное соединение металлов, пластиков, дерева, стекла, керамики и даже некоторых эластомеров. Основные достоинства включают устойчивость к влаге, температуре (-40°C до +100°C) и механическим нагрузкам.

Сферы применения охватывают строительство (монтаж панелей, герметизация), автомобилестроение (крепление деталей), мебельную промышленность, производство обуви и упаковки.

2. Химический состав и свойства

Однокомпонентные системы состоят из жидкого полиуретана с изоцианатными группами (NCO-преполимер), который может быть подвергнут предварительной реакции, повышающий его молекулярную массу.

Основой клеев являются полиолы и изоцианаты.

Полиолы – гидроксилсодержащие соединения, такие как полиэфиры. Они служат основой для образования полимерных цепей в процессе реакции.

Изоцианаты – органические соединения, содержащие изоцианатные группы. Для полиуретановых клеев обычно используются алифатические или ароматические изоцианаты.

Механизмы отверждения

Механизм отверждения однокомпонентного полиуретанового клея – влагоотверждаемая полимеризация. Отверждение происходит за счет реакции свободных изоцианатных групп с атмосферной влагой воздуха или водой.

При взаимодействии с влагой воздуха или водой они образуют мочевинные группы, которые отвечают за прочность соединения.

В процессе отверждения клей выделяет углекислый газ, что приводит к образованию пены и увеличению объёма.

Механизм отверждения двухкомпонентного полиуретанового клея – химическая реакция между полиолом и полиизоцианатом.

Когда компоненты смешиваются, начинается процесс, который называется полиприсоединением (ступенчатой полимеризацией). В ходе этой реакции макромолекулы компонентов соединяются друг с другом, образуя прочную сшитую структуру. Далее масса постепенно затвердевает. 

Модификаторы

• Наполнители. Вводят в состав для улучшения механических свойств, таких как прочность и устойчивость к ударам. (Например, силикатные наполнители)  
• Стабилизаторы. Увеличивают срок хранения клея и его стабильность.
• Катализаторы. Ускоряют процесс отверждения. (Например, амины, соли металлов, оловоорганические соединения)
• Красители.  Вводят в состав для придания цвета.
• Антипирены. Увеличивают огнестойкость. (Например, трихлорпропилфосфат (ТХПФ))

3. Классификация клеев, их свойства и характеристики

Однокомпонентные клеи представляют собой готовую к применению массу. Не требуют смешивания, отверждаются влагой.

• Сохраняют эластичность (гибкость) после отверждения, подходит для соединений, подверженных вибрациям.
• Обладают хорошей адгезией и обеспечивают прочное сцепление для пористых материалов (дерево, бетон, пенопласт) и некоторых пластиков (ПВХ, поликарбонат).
• Время высыхания клея (первичное схватывание) составляет около 20–60 минут, что позволяет быстро подогнать склеиваемые детали или установить фиксаторы. Полное отверждение не более 24 часов.
• Обладают влагостойкостью, поэтому может использоваться в качестве герметика для гидроизоляции.
• Устойчивы к грибкам и плесени.
• Для работы с клеем не требуется специальное оборудование, подойдет даже простой шпатель.
• Не содержит растворителей, что делает его безопасным для использования в домашних условиях.
• Может быть представлен в любом цвете.
• Клей сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур (от -40 до +100 °C) и устойчив к воздействию агрессивных жидкостей.

Двухкомпонентные клеи состоят из клеевой основы и отвердителя, которые смешиваются непосредственно перед применением.

• Образуют жесткие соединения с высокой устойчивостью к сдвигу и растяжению.
• Скорость отверждения. Время жизни смеси: 10–60 минут (до начала гелеобразования). Полное отверждение: 2–24 часа.
• Высокая адгезия. Эффективны для металлов, керамики, композитов и стекла. 
• Быстрое отверждение даже при низкой влажности.
• Высокая прочность и термостойкость.
• Возможность регулировать свойства путем изменения соотношения компонентов.
• Устойчивость к воде и влаге.
• Возможность использования в широком температурном диапазоне.

Термореактивные клеи.  Полиуретановые клеи-расплавы с реактивными свойствами — это активно развивающийся класс клеев, которые состоят из легкоплавких полиизоцианатных полиуретанов (NCO-преполимеров), находящихся в твёрдом состоянии при комнатной температуре.

Эти клеи отверждаются как физически при охлаждении, так и химически в результате реакции с влагой из окружающей среды. В отличие от нереактивных клеев-расплавов, они могут иметь умеренную вязкость в расплавленном состоянии.

Если адгезионный слой охлаждается до достаточно низкой температуры, то клеевой шов быстро набирает начальную прочность, необходимую для дальнейших манипуляция с соединёнными деталями без дополнительной фиксации.

Окончательная прочность и высокая термостойкость клеевого шва достигаются благодаря последующей сшивке свободных изоцианатных групп в результате их реакции с влагой (из воздуха или субстрата) с образованием полимочевинных структур.

В зависимости от состава, реактивные полиуретановые клеи-расплавы могут вулканизироваться, образуя эластомерные клеевые слои различной жёсткости и плотности.

• Являются термостойкими: сохраняют свойства при температурах до +150°C.
• Создают жесткие и износостойкие соединения.
• Время отверждения: 5–10 минут (зависит от температуры активации). Время вулканизации 6 часов – 3 суток.
• Адгезия: подходят для термостойких материалов (стекло, металлы, керамика).
• Идеальны для высокотемпературных сред.
• Высокая устойчивость к химикатам и агрессивным средам.
• Минимальная усадка при отверждении.
• Применяются в условиях высоких нагрузок (авиация, электроника).
• Устойчивы к УФ-излучению.
• Имеют хорошие диэлектрические свойства и показывают низкую степень горючести.

4. Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Высокая адгезия к разнородным материалам.
• Устойчивость к вибрациям и ударам.
• Хорошая эластичность после отверждения.
• Удобство использования (в случае однокомпонентных клеев)
• Высокая прочность.

Недостатки:

• Чувствительность к влажности при хранении (для однокомпонентных клеев).
• Медленное отверждение, до 24 часов.
• Токсичность некоторых компонентов (требует вентиляции).
• Высокая стоимость по сравнению с эпоксидными клеями.

5. Современные разработки и перспективы

Инновационные материалы- гибридные составы, которые представляют собой новейшие разработки в сфере производства эластомерных клеев-герметиков. Эти клеи объединяют в себе достоинства полиуретанов (возможность регулирования свойств, эластичность при низких температурах, прочность) и силиконов (затвердевание без образования пузырьков, отличное сцепление с поверхностью, повышенная устойчивость к ультрафиолетовому излучению, воде, кислотам и щелочам, высоким температурам). 

Полиуретановые клеи модифицированные силанами. Разработка относится к клеевым составам на основе полиуретанов, которые отверждаются при комнатной температуре, и может быть применена для соединения различных материалов.

Описана полиуретановая клеевая смесь, созданная на основе полиизоцианата и полиэфира. Её особенность в том, что она содержит полиизоцианат с массовой долей NCO-групп от 21 до 31%, полиэфир с количеством гидроксильных групп от 4 до 9% по массе и органический силан, выбранный из группы, включающей винилтриметоксисилан, винилтриэтоксисилан, тетраэтоксисилан, октилтриэтоксисилан и метилтриэтоксисилан. Технический результат: предложена клеевая смесь, которая быстро отверждается и устойчива к воздействию влаги, кислот и щелочей.

6. Заключение

Полиуретановые клеи, благодаря своей уникальной комбинации свойств, заслуживают особого внимания как универсальное решение для современных технологических и бытовых задач. Их высокая адгезивная способность, устойчивость к влаге, температурным перепадам и механическим нагрузкам делает их незаменимыми в строительстве, производстве мебели, ремонтных работах и даже в творческих проектах.

Важным преимуществом является и экологическая составляющая: современные составы становятся безопаснее, снижая воздействие на окружающую среду без ущерба для качества. Однако эффективность полиуретановых клеев напрямую зависит от соблюдения технологий нанесения и условий отверждения, что требует внимания со стороны пользователей. 

Перспективы развития этой категории клеев связаны с инновациями в области химического синтеза, повышением их термостойкости и созданием быстросохнущих формул.

Таким образом, полиуретановые клеи не только сохраняют свою актуальность, но и открывают новые возможности для промышленности и DIY-сферы, оставаясь важным элементом в арсенале современных материалов.

 

 

7. Список использованных источников

 

1. ГОСТ Р 58893-2020 Составы клеевые на полиуретановой основе для крепления теплоизоляционного слоя в фасадных теплоизоляционных композиционных системах с наружными штукатурными слоями
2. Кардашов, Д.А. Полимерные клеи. Создание и применение. / Д.А. Кардашов, А. П. Петрова. - Москва : Химия, 1983. - 256 с.
3. Майер-Вестутс, У. Полиуретаны. Покрытия, клеи и герметики / Ульрих Майер-Вестус ; [пер. с анг. Л. Н. Машляковского, В. А. Бурмистрова]. - М. : Пэйнт-Медиа, 2009. — 400 с. : илл. 168, табл. 69
4. Патент № 2663779 Российская Федерация, МПК C09J 175/06(2006.01). Полиуретановая клеевая композиция : № 2017141607 : заявл. 29.11.2017 : опубл. 09.08.2018 / Ананьев В. В., Баблюк Е. Б., Казанский Ф. В., Масталыгина Е. Е., Пантюхов П. В., Попов А. А. - 7 с.