PU-elastomer, også kjent som polyuretanelastomer, er et syntetisk polymermateriale som inneholder flere uretangrupper på hovedkjeden. PU-elastomerer har et bredt spekter av egenskaper, som er nært knyttet til strukturen, og strukturen avhenger av mange faktorer som reaktanter, reaksjonstid, reaksjonstemperatur, og selv små endringer i vanninnhold kan forårsake PU-elastomerer Stor forskjell i mekaniske egenskaper . Neste, denPU-pigmentprodusentvil introdusere strukturen og ytelsen til PU-elastomer for deg.
(1) Mikrofaseseparasjonsstruktur av PU-elastomer
Ytelsen til PU påvirkes hovedsakelig av den morfologiske strukturen til den makromolekylære kjeden. Den unike fleksibiliteten og de utmerkede fysiske egenskapene til PU kan forklares med to-fase morfologien. Graden av mikrofaseseparasjon og tofasestrukturen til myke og harde segmenter i PU-elastomerer er avgjørende for ytelsen. Moderat faseseparasjon er fordelaktig for å forbedre egenskapene til polymeren. Separasjonsprosessen for mikrofaseseparasjon er at forskjellen i polaritet mellom det harde segmentet og det myke segmentet og krystalliniteten til selve det harde segmentet fører til deres termodynamiske inkompatibilitet (ublandbarhet) og en tendens til spontan faseseparasjon, så det harde segmentet er enkelt å aggregere sammen for å danne domener, som er spredt i den kontinuerlige fasen dannet av de myke segmentene. Prosessen med mikrofaseseparasjon er faktisk prosessen med separasjon og aggregering eller krystallisering av det harde segmentet i elastomeren fra kopolymersystemet.
Fenomenet PU-mikrofaseseparasjon ble først foreslått av den amerikanske forskeren Cooper. Etter det ble det gjort mye forskningsarbeid på strukturen til polyuretan. Forskningen på PU-aggregatstrukturen har også gjort fremskritt, og danner en relativt komplett mikrofase. Strukturteorisystem: I blokk-PU-systemet induseres mikrofaseseparasjonen av harde og myke segmenter av termodynamisk inkompatibilitet mellom segmenter og myke segmenter. Tiltrekningskraften til segmentene mellom de harde segmentene er mye større enn for segmentene mellom de myke segmentene. De harde segmentene er uløselige i den myke segmentfasen, men er fordelt i den, og danner en diskontinuerlig mikrofasestruktur (sjøøystruktur). Den spiller en fysisk bindende og forsterkende rolle i det myke segmentet. I prosessen med mikrofaseseparasjon vil den økte interaksjonen mellom harde segmenter lette separasjonen av harde segmenter fra systemet og aggregere eller krystallisere, noe som fremmer mikrofaseseparasjon. Selvfølgelig er det en viss kompatibilitet mellom plastfasen og gummifasen, og fasene mellom plastmikrodomenene og gummimikrodomenene blandes for å danne en gjennomstrømningsfase. Samtidig har andre modeller relatert til mikrofaseseparasjon også blitt foreslått, for eksempel anrikningsregionene for det harde segmentet og det myke segmentet foreslått av Seymour et al. Paik Sung og Schneide foreslo en mer realistisk strukturell modell for mikrofaseseparasjon: graden av mikrofaseseparasjon i uretan er ufullkommen, ikke helt mikrofase sameksistens, men inkluderer blandede myke segmentenheter. Det er blanding mellom segmenter i mikrodomenet, noe som har en viss grad av innflytelse på materialets morfologi og mekaniske egenskaper. Det myke segmentet inneholder harde segmenter, noe som kan føre til en endring i glassovergangstemperaturen til det myke segmentet. Kraftig forbedret, begrenser utvalget av materialer som brukes i miljøer med lav temperatur. Inkludering av myke segmenter i de harde segmentdomenene kan senke glassovergangstemperaturen til de harde segmentdomenene, og derved redusere varmebestandigheten til materialet.
(2) Hydrogenbindingsadferd til PU-elastomerer
Hydrogenbindinger eksisterer mellom grupper som inneholder nitrogenatomer og oksygenatomer med sterk elektronegativitet og grupper som inneholder hydrogenatomer. Den kohesive energien til gruppene er relatert til størrelsen på den kohesive energien til gruppene. Sterke hydrogenbindinger eksisterer stort sett mellom segmenter. Ifølge rapporter kan de fleste av imingruppene i de ulike gruppene i PU-makromolekyler danne hydrogenbindinger, og de fleste av dem dannes av imingruppene og karbonylgruppene i det harde segmentet, og en liten del dannes med eteroksygenet. i det myke segmentet. gruppe eller esterkarbonyl dannet. Sammenlignet med bindingskraften til intramolekylære kjemiske bindinger, er hydrogenbindingskraften mye mindre. Imidlertid er eksistensen av et stort antall hydrogenbindinger i polare polymerer også en av de viktige faktorene som påvirker ytelsen. Hydrogenbindinger er reversible. Ved lavere temperaturer fremmer det nære arrangementet av de seksuelle segmentene dannelsen av hydrogenbindinger: ved høyere temperaturer mottar segmentene energi og gjennomgår termisk bevegelse, avstanden mellom segmenter og molekyler øker, og hydrogenbindingene svekkes eller til og med forsvinner. Hydrogenbindinger spiller rollen som fysisk tverrbinding, noe som kan gjøre at PU-kroppen har høyere styrke, slitestyrke, løsemiddelbestandighet og mindre strekkfast deformasjon. Jo flere hydrogenbindinger, jo sterkere er de intermolekylære kreftene og desto høyere er materialets styrke. Mengden av hydrogenbindinger påvirker direkte graden av mikrofasedifferensiering av systemet.
(3) Krystallinitet
Lineær PU med regelmessig struktur, mer polare og stive grupper, flere intermolekylære hydrogenbindinger, og gode krystallinske egenskaper, noen egenskaper til PU-materialer er forbedret, som styrke, løsemiddelbestandighet osv. Hardheten, styrken og mykgjøringspunktet til PU-materialer øke med økningen av krystallinitet, mens forlengelse og løselighet avtar tilsvarende. For noen bruksområder, for eksempel en-komponent termoplastisk PU-lim, kreves rask krystallisering for å oppnå initial klebrighet. Noen termoplastiske PU-elastomerer frigjøres raskere på grunn av deres høye krystallinitet. Krystallinske polymerer blir ofte ugjennomsiktige på grunn av anisotropien til brutt lys. Hvis en liten mengde forgrenede eller hengende grupper introduseres i det krystallinske lineære PU-makromolekylet, avtar krystalliniteten til materialet. Når tverrbindingstettheten øker til en viss grad, mister det myke segmentet sin krystallinitet. Når materialet strekkes, gjør strekkspenningen molekylkjeden til det myke segmentet orientert og regulariteten forbedres, krystalliniteten til PU-elastomeren forbedres, og materialets styrke blir tilsvarende forbedret. Jo sterkere polariteten til det harde segmentet er, jo mer bidrar til forbedring av gitterenergien til PU-materialet etter krystallisering. For polyeter PU, med økningen av innholdet av det harde segmentet, øker de polare gruppene, den intermolekylære kraften til det harde segmentet øker, graden av mikrofaseseparasjon øker, det harde segmentets mikrodomene danner gradvis krystaller, og krystalliniteten øker med det harde segmentet. innhold. Øk materialets styrke gradvis.
(4) Påvirkning av myk segmentstruktur på ytelsen til PU-elastomer
Oligomere polyoler som polyetere og polyestere utgjør de myke segmentene. Det myke segmentet står for det meste av PU, og egenskapene til PU fremstilt fra forskjellige oligomerpolyoler og diisocyanater er forskjellige. Det fleksible (myke) segmentet av PU-elastomerer påvirker hovedsakelig de elastiske egenskapene til materialet og bidrar betydelig til dets lave temperatur- og strekkegenskaper. Derfor er Tg-parameteren til det myke segmentet ekstremt viktig, og for det andre er krystalliniteten, smeltepunktet og tøyningsindusert krystallisering også faktorer som påvirker dets endelige mekaniske egenskaper. PU-elastomeren og skum laget av polyester med sterk polaritet som mykt segment har bedre mekaniske egenskaper. Fordi PU laget av polyesterpolyol inneholder en stor polar estergruppe, kan dette PU-materialet ikke bare danne hydrogenbindinger mellom de harde segmentene, men også de polare gruppene på det myke segmentet kan delvis samhandle med de harde segmentene. De polare gruppene danner hydrogenbindinger, slik at den harde segmentfasen kan fordeles mer jevnt i den myke segmentfasen, som fungerer som et elastisk tverrbindingspunkt. Noen polyesterpolyoler kan danne myke segmentkrystaller ved romtemperatur, noe som påvirker ytelsen til PU. Styrken, oljebestandigheten og termisk oksidativ aldring av polyester PU-materiale er høyere enn for PPG polyeter PU-materiale, men hydrolysemotstanden er dårligere enn for polyetertypen. Polytetrahydrofuran (PTMG) PU er lett å danne krystaller på grunn av sin vanlige molekylkjedestruktur, og styrken er sammenlignbar med den til polyester PU. Generelt sett er etergruppen i det myke segmentet av polyeter PU lettere å rotere internt, har god fleksibilitet og har utmerket lavtemperaturytelse, og det er ingen estergruppe som er relativt lett å hydrolysere i polyeterpolyolkjeden, som er motstandsdyktig mot hydrolyse. Bedre enn polyester PU. α-karbonet i eterbindingen til det myke polyetersegmentet oksideres lett for å danne peroksidradikaler, noe som resulterer i en serie oksidative nedbrytningsreaksjoner. PU med polybutadien molekylkjede som mykt segment har svak polaritet, dårlig kompatibilitet mellom myke og harde segmenter og dårlig elastomerstyrke. Det myke segmentet som inneholder sidekjeden, har på grunn av sterisk hindring svake hydrogenbindinger og dårlig krystallinitet, og styrken er dårligere enn den til samme myke segmenthovedkjede uten sidegruppe PU. Molekylvekten til det myke segmentet har innvirkning på de mekaniske egenskapene til PU. Generelt sett, forutsatt den samme molekylvekten til PU, avtar styrken til PU-materialet med økningen av molekylvekten til det myke segmentet; hvis det myke segmentet er en polyesterkjede, avtar styrken til polymermaterialet sakte med økningen av molekylvekten til polyesterdiolen; Hvis det myke segmentet er en polyeterkjede, avtar styrken til polymermaterialet med økningen av molekylvekten til polyeterglykolen, men forlengelsen øker. Dette skyldes den høye polariteten til det myke estersegmentet og den store intermolekylære kraften, som delvis kan oppveie reduksjonen i styrken til PU-materialet på grunn av økningen i molekylvekten og økningen i innholdet av det myke segmentet. Imidlertid er polariteten til det myke segmentet av polyeter svak. Hvis molekylvekten øker, reduseres innholdet av det harde segmentet i den tilsvarende PU, noe som resulterer i en reduksjon i materialets styrke. Kompatibiliteten til PU-kopolymerer er relatert til kjedestrukturen til makromolekyler, og tilstedeværelsen av podekjeder har en betydelig effekt på kompatibiliteten og dempende egenskapene til polyuretanblokk-kopolymerer. Generelt er effekten av myk segmentmolekylvekt på motstanden og termiske aldringsegenskapene til PU-elastomerer ikke signifikant. Krystalliniteten til det myke segmentet har et stort bidrag til krystalliniteten til den lineære PU. Generelt sett er krystallinitet gunstig for å forbedre styrken til PU. Men noen ganger reduserer krystallisering lavtemperaturfleksibiliteten til materialet, og krystallinske polymerer er ofte ugjennomsiktige. For å unngå krystallisering kan integriteten til molekylet reduseres, for eksempel ved bruk av kopolyester eller kopolyeterpolyol, eller blandet polyol, blandet kjedeforlenger, etc.
(5) Påvirkning av hardt segment på ytelsen til PU-elastomer
Den harde segmentstrukturen er en av hovedfaktorene som påvirker varmebestandigheten til PU-elastomerer. Strukturen til diisocyanatet og kjedeforlengeren som utgjør PU-elastomersegmentet er forskjellig, noe som også påvirker varmebestandigheten. Det harde segmentet av PU-materiale er sammensatt av polyisocyanat og kjedeforlenger. Den inneholder sterke polare grupper som uretangruppe, arylgruppe og substituert ureagruppe. Vanligvis er det stive segmentet dannet av aromatisk isocyanat ikke lett å endre, og strekker seg ved romtemperatur. stavformet. Harde segmenter påvirker vanligvis høytemperaturegenskapene til PU, slik som mykning og smeltetemperatur. Vanlig brukte diisocyanater er TDI, MDI, IPDI, PPDI, NDI, etc., vanlig brukte alkoholer er etylenglykol, -butandiol, heksandiol, etc., og vanlig brukte aminer er MOCA, EDA, DETDA osv. Typen hardt segment velges i henhold til de ønskede mekaniske egenskapene til polymeren, slik som maksimal brukstemperatur, værbestandighet, løselighet, etc., og dens økonomi bør også vurderes. Ulike diisocyanatstrukturer kan påvirke regelmessigheten til det harde segmentet og dannelsen av hydrogenbindinger, og dermed ha større innvirkning på styrken til elastomeren. Generelt sett gjør den isocyanatholdige aromatiske ringen at det harde segmentet har større stivhet og kohesiv energi, noe som generelt øker styrken til elastomeren.
Det stive segmentet som inneholder ureagruppen består av diisocyanat og diaminkjedeforlenger, fordi kohesjonen til ureagruppen er veldig stor, er det lett å danne plastisk mikrodomene, og PU-en som består av dette stive segmentet er svært utsatt for mikrofaseseparasjon. Generelt sett, jo høyere stivheten til det stive segmentet som utgjør PU, desto mer sannsynlig vil det forårsake mikrofaseseparasjon. I PU, jo høyere innholdet i det stive segmentet er, desto mer sannsynlig vil det forårsake mikrofaseseparasjon.
Kjedeforlengeren er relatert til den harde segmentstrukturen til PU-elastomeren og har stor innflytelse på ytelsen til elastomeren. Sammenlignet med kjedeforlenget PU av alifatiske dioler, har kjedeforlenget PU som inneholder aromatisk ringdiamin høyere styrke, fordi aminkjedeforlengeren kan danne en ureabinding, og polariteten til ureabindingen er høyere enn uretanbindingen. . Dessuten er forskjellen i løselighetsparametre mellom det harde segmentet av ureabinding og det myke segmentet av polyeter stor, så det harde segmentet av polyurea og det myke segmentet av polyeter har større termodynamisk inkompatibilitet, noe som gjør at PU-urea har bedre mikrofaseseparasjon. Derfor har diaminkjedeforlenget PU høyere mekanisk styrke, modul, viskoelastisitet og varmebestandighet enn diolkjedeforlenget PU, og har også bedre lavtemperaturytelse. Støping av PU-elastomerer bruker for det meste aromatiske diaminer som kjedeforlengere fordi PU-elastomerene fremstilt derfra har gode omfattende egenskaper. Ved å reagere maleinsyreanhydrid og polyol for å danne karboksylesterpolyol, og deretter reagere med andre monomerer som TDI-80, tverrbindingsmiddel og kjedeforlenger, ble den karboksylholdige PU-prepolymeren fremstilt, som ble dispergert i tre i den vandige løsningen av etanolamin , ble det laget vannbasert PU, og påvirkningen av typen og mengden kjedeforlenger på egenskapene til harpiksen ble studert. Bruk av bisfenol A som en kjedeforlenger kan ikke bare forbedre de mekaniske egenskapene til harpiksen, men også øke glassovergangstemperaturen til harpiksen, utvide bredden på den indre friksjonstoppen og forbedre temperaturområdet til harpiksen i skinntilstand [ 12]. Strukturen til diaminkjedeforlengeren som brukes i PU-urea påvirker direkte hydrogenbindingen, krystalliseringen og mikrofasestrukturseparasjonen i materialet, og bestemmer i stor grad ytelsen til materialet [13]. Med økningen av hardt segmentinnhold økte strekkstyrken og hardheten til PU-materialet gradvis, og forlengelsen ved brudd ble redusert. Dette er fordi det er mikrofaseseparasjon mellom fasen med en viss grad av krystallinitet dannet av det harde segmentet og den amorfe fasen dannet av det myke segmentet, og det krystallinske området av det harde segmentet fungerer som et effektivt tverrbindingspunkt. Det spiller også en rolle som ligner på fyllstoffforsterkning for det amorfe området av det myke segmentet. Når innholdet øker, forsterkes den forsterkende effekten og den effektive tverrbindingseffekten til det harde segmentet i det myke segmentet, noe som fremmer økningen av materialstyrken.
(6) Påvirkning av tverrbinding på egenskapene til PU-elastomerer
Moderat intramolekylær tverrbinding kan øke hardheten, mykgjøringstemperaturen og elastisitetsmodulen til PU-materialer, og redusere forlengelse ved brudd, permanent deformasjon og hevelse i løsemidler. For PU-elastomerer kan riktig tverrbinding produsere materialer med utmerket mekanisk styrke, høy hardhet, elastisitet og utmerket slitestyrke, oljebestandighet, ozonbestandighet og varmebestandighet. Imidlertid, hvis tverrbindingen er for stor, kan egenskapene som strekkfasthet og forlengelse reduseres. I blokk-PU-elastomerer kan kjemisk tverrbinding deles inn i to kategorier: (1) bruk av trifunksjonelle kjedeforlengere (som TMP) for å danne en tverrbindingsstruktur; (2) bruk av overskudd av isocyanat for å reagere for å danne dikondensat Urea (via ureagrupper) eller allofanat (via uretangrupper) tverrbinding. Tverrbinding har en betydelig effekt på graden av hydrogenbinding, og dannelsen av tverrbindinger reduserer graden av hydrogenbinding av materialet kraftig, men kjemisk tverrbinding har bedre termisk stabilitet enn fysisk tverrbinding forårsaket av hydrogenbinding. Da effekten av kjemisk tverrbindingsnettverk på morfologien, mekaniske egenskaper og termiske egenskaper til PU-urea-elastomerer ble studert ved hjelp av FT-IR og DSC, ble det funnet at PU-urea-elastomerer med forskjellige tverrbindingsnettverk hadde forskjellige morfologier. Ettersom tettheten øker, øker graden av mikrofaseblanding av elastomeren, glassovergangstemperaturen til det myke segmentet øker betydelig, og elastomerens 300 % strekkfasthet øker gradvis, mens forlengelsen ved brudd avtar gradvis. Når , når de mekaniske egenskapene (strekkstyrke og rivestyrke) til elastomeren høyest.