Исследовано влияние среднечисловой функциональности полиольной композиции (fn) на формирование градиентов концентраций остаточных изоцианатных и изоциануратных групп и анизотропию механических свойств полиуретан-полиизоциануратных (ПИР) пенопластов. Целью работы являлось установление корреляции между степенью сшивки полиуретановой матрицы и пространственным распределением триизоцианурата и свободного изоцианата по высоте пенопласта при постоянном изоцианатном индексе. Количественное определение изоциануратных и остаточных изоцианатных групп в синтезированных полиуретан-полиизоциануратных пенопластах производилось при помощи метода ИК-Фурье-спектроскопии с конфигурацией нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО). Выявлено, что в полученных ПИР-пенопластах устанавливаются значительные концентрационные градиенты: в верхних слоях пеноматериалов конверсия изоцианата в изоцианурат достигала более высоких значений и концентрация остаточных изоцианатных групп была существенно ниже, чем в нижних. Показано, что увеличение среднечисловой функциональности полиола, приводящее к формированию более плотной уретановой сшивки, усиливает стерические ограничения, что затрудняет диффузионно-контролируемую реакцию тримеризации изоцианата и, как следствие, усугубляет неоднородность химического состава по высоте материала. Данная неоднородность непосредственно определяет анизотропию механических свойств: относительная прочность пенопласта на сжатие закономерно возрастает от нижних слоев к верхним. Таким образом, доказано, что снижение функциональности полиольного компонента позволяет получать полиуретан-полиизоциануратные материалы с более однородным распределением изоциануратных циклов и остаточного изоцианата по объему, что обеспечивает повышенную изотропию свойств материала. Полученные результаты представляют собой практический инструмент, который может быть применен при разработке и оптимизации рецептур, используемых для получения ПИР-пенопластов.
The influence of the number-average functionality of the polyol composition (fn) on the formation of concentration gradients of residual isocyanate and isocyanurate groups and the anisotropy of the mechanical properties of polyurethane-polyisocyanurate (PIR) foams was studied. The aim of the study was to establish a correlation between the degree of crosslinking of the polyurethane matrix and the spatial distribution of triisocyanurate and free isocyanate along the foam height at a constant isocyanate index. Quantitative determination of isocyanurate and residual isocyanate groups in the synthesized polyurethane-polyisocyanurate foams was performed using Fourier transform infrared spectroscopy with an attenuated total internal reflection (ATR) configuration. Significant concentration gradients were found in the resulting PIR foams: isocyanate-to-isocyanurate conversion reached higher values in the upper layers of the foam, and the concentration of residual isocyanate groups was significantly lower than in the lower layers. It was shown that increasing the polyol's number-average functionality, which leads to the formation of denser urethane crosslinks, increases steric constraints, complicating the diffusion-controlled isocyanate trimerization reaction and, consequently, exacerbating the heterogeneity of the chemical composition across the material's height. This heterogeneity directly determines the anisotropy of the mechanical properties: the relative compressive strength of the foam increases consistently from the lower layers to the upper ones. Thus, it has been proven that reducing the functionality of the polyol component allows to produce polyurethane-polyisocyanurate materials with a more uniform distribution of isocyanurate cycles and residual isocyanate throughout the volume, which ensures increased isotropy of the material's properties. The obtained results represent a practical tool that can be applied in the development and optimization of formulations used to produce PIR foams.