Poliuretani (PU – PUR): caratteristiche, lavorazione, mercato

Con il termine generico di poliuretani (sigla: PUR o PU) si intende una serie di polimeri versatili ottenuti per policondensazione di isocianati (caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale –NCO) e polialcoli (caratterizzati dalla presenza del gruppo funzionale –OH); questi ultimi sono comunemente detti polioli.

Il gruppo funzionale caratteristico dei poliuretani, risultante dalla reazione dei due gruppi funzionali isocianico e poliolico, è –R-NH-CO-O-R’, che viene denominato appunto gruppo uretanico, nel quale R e R’ sono radicali organici. L’atomo di idrogeno legato all’azoto è molto reattivo, grazie alla sua mobilità.

Gli isocianati a tutt’oggi più utilizzati nella produzione di polimeri uretanici sono: il toluendiisocianato (TDI) e il 4,4’-difenilmetanodiisocianato o metilene-difenilisocianato (MDI). I polioli possono essere o polieteri (i più usati), oppure poliesteri.

Le caratteristiche del poliuretano

Le principali caratteristiche del poliuretano sono:

• versatilità, intesa sia come caratteristiche di lavorabilità, sia come diversificazione delle tipologie di prodotti commercialmente disponibili. È infatti possibile, tramite opportuna selezione dei componenti isocianato e poliolo, ottenere una gamma molto variegata di polimeri uretanici; da prodotti molto leggerei, soffici e morbidi (schiume flessibili a bassa densità), a prodotti ad elevata resistenza alle sollecitazioni a flessione (es. sistemi poliuretanici microcellulari espansi ad acqua), o prodotti ad eccellenti proprietà di isolamento termico (schiume poliuretaniche rigide);
• durabilità: i prodotti realizzati in poliuretano hanno vita lunga. È una caratteristica importante sotto il profilo dell’impatto ambientale, in quanto un prodotto duraturo viene utilizzato a lungo nel tempo, e, di conseguenza, genera pochi rifiuti.

Classificazione dei poliuretani

Una prima classificazione è quella che suddivide i poliuretani in relazione al loro comportamento sotto sforzo meccanico a temperatura ambiente. Si distinguono a questo proposito in:

• poliuretani plastici: si deformano sotto sforzo meccanico a temperatura ambiente, senza rompersi, grazie al fatto che prevale la struttura amorfa (distribuzione casuale delle molecole) rispetto a quella cristallina (distribuzione ordinata delle molecole);
• poliuretani elastomerici: sotto sforzo meccanico a temperatura ambiente non si deformano in modo permanente, ma, una volta cessato lo sforzo, tornano ad assumere la forma originale, grazie al prevalere della struttura cristallina rispetto a quella amorfa.

Inoltre, in relazione al comportamento alla temperatura i poliuretani si distinguono in:

• termoplastici, con punto di fusione intorno ai 200°C;
• termoindurenti, oltre i 100°C si decompongono.

Da un punto di vista merceologico i poliuretani possono essere classificati in due macro-categorie:

• schiume poliuretaniche, comprendenti, a loro volta:
  • poliuretani espansi: hanno densità compresa tra 20 e 250 gr/cm³. Sono di gran lunga la tipologia di poliuretani più importante e diffusa commercialmente. Le varie celle ripiene di gas all’interno della massa polimerica espansa possono essere intercomunicanti tra loro (anche se non tutte, per lo meno all’80%), oppure chiuse e non comunicanti tra loro (per lo meno per il 90%). Nel primo caso si parla di poliuretani espansi flessibili, comunemente detti schiume flessibili; nel secondo caso si parla di poliuretani espansi rigidi, comunemente detti schiume rigide. Le schiume flessibili sono caratterizzate da ottime proprietà di isolamento acustico, quelle rigide da ottime proprietà di isolamento termico;
  • poliuretani semi-espansi; rientrano anch’essi nella categoria delle schiume poliuretaniche, ed hanno una densità più elevata rispetto ai tipi espansi (fino a 800 gr/cm³). Un tipo particolare all’interno dei poliuretani semi-espansi sono quelli cosiddetti “a pelle integrale”, nei quali il profilo di densità è decrescente dall’esterno verso l’interno della massa polimerica. Vengono ottenuti iniettando la massa poliuretanica liquida calda in uno stampo chiuso fino a quasi totale riempimento del medesimo; l’espansione della massa fluida avviene prevalentemente all’interno della medesima e meno verso le pareti esterne, permettendo in tal modo l’instaurarsi di un profilo di densità decrescente dall’esterno verso l’interno. I manufatti realizzati in poliuretano “a pelle integrale” sono caratterizzati da una particolare resistenza meccanica alle vibrazioni, e pertanto vengono detti “strutturali” (classificati come schiume rigide);
• poliuretani non espansi o compatti, con densità superiore a 800 gr/cm³.

Le tecnologie di lavorazione del poliuretano

La versatilità del poliuretano, che è una delle caratteristiche salienti di questo polimero, viene progressivamente esaltata tramite la messa a punto di nuove mescole che aumentano le prestazioni e la lavorabilità del prodotto.

Gli elastomeri poliuretanici, che possono essere sia termoplastici che termoindurenti, si prestano ad essere lavorati:

• per stampaggio a iniezione: i tipi termoplastici;
• per estrusione: sempre i tipi termoplastici;
• per colata;
• per compressione, simile a quella usata per la lavorazione della gomma.

Inoltre, si prestano a essere saldati (i termoplastici) e lavorati all’utensile.

Un ulteriore aspetto molto importante riguarda la possibilità di riciclo del poliuretano derivante da particolari applicazioni: per esempio il poliuretano usato per gomme di carrelli può essere riciclato e mescolato insieme ad altri materiali a formare materiali compositi, il cui mercato è in forte espansione.

Il mercato dei poliuretani

Il mercato del poliuretano è stato valutato a 66,37 miliardi di dollari nel 2020 e si prevede che raggiungerà 119,08 miliardi entro il 2028, crescendo con un CAGR del 6,72% dal 2021 al 2028.