ما هو البولي يوريثين؟
ما يسمى البولي يوريثين هو اختصار للبولي يوريثين ، والذي يتكون من تفاعل البولي أيزوسيانات والبوليول ، ويحتوي على العديد من مجموعات اليوريثان المتكررة (-NH-CO-O-) في السلسلة الجزيئية. في راتنجات البولي يوريثين الاصطناعية الفعلية ، بالإضافة إلى مجموعة اليوريثان ، هناك أيضًا مجموعات مثل اليوريا والبيوريت. البوليولات عبارة عن جزيئات طويلة السلسلة مع مجموعات هيدروكسيل في نهايتها ، والتي تسمى "المقاطع الناعمة" ، وتسمى البولي أيزوسيانات "المقاطع الصلبة".
في راتنجات البولي يوريثين الناتجة عن الأجزاء الناعمة والصلبة ، يعتبر اليوريثان أقلية فقط ، لذلك ليس من المناسب بالضرورة تسميته البولي يوريثين. بالمعنى الواسع ، يعد البولي يوريثين بوليمر إضافي من الأيزوسيانات.
تتفاعل أنواع مختلفة من الأيزوسيانات مع مركبات البولي هيدروكسي لتشكيل بولي يوريثان من هياكل مختلفة ، وبالتالي الحصول على مواد بوليمر ذات خصائص مختلفة ، مثل البلاستيك والمطاط والطلاء والألياف والمواد اللاصقة ، إلخ. مطاط البولي يوريثان
تم تطوير مطاط البولي يوريثين بنجاح لأول مرة في ألمانيا في عام 1940 ، ودخل حيز الإنتاج الصناعي بعد عام 1952 ، بينما تم تطوير بلدي ودخل حيز الإنتاج في منتصف -1960 الثواني. ينتمي مطاط البولي يوريثين إلى نوع من المطاط الخاص ، والذي يتم تحضيره عن طريق تفاعل البولي إيثر أو البوليستر مع الأيزوسيانات. هناك العديد من الأصناف بسبب أنواع مختلفة من المواد الخام وظروف التفاعل وطرق الربط المتقاطع. من حيث التركيب الكيميائي ، يوجد نوع بوليستر ونوع بولي إيثر ، ومن حيث طريقة المعالجة هناك ثلاثة أنواع: نوع الخلط ونوع الصب ونوع البلاستيك الحراري.
يتم تصنيع مطاط البولي يوريثين الصناعي عمومًا عن طريق تفاعل البوليستر الخطي أو البولي إيثر مع ثنائي أيزوسيانات لصنع بوليمر أولي منخفض الوزن الجزيئي. بعد تفاعل تمديد السلسلة ، يتم تكوين بوليمر جزيئي عالي ، ثم يضاف عامل ربط مناسب لتسخينه. تُعالج هذه الطريقة لتصبح مطاطًا مبركنًا ، وتسمى طريقة البلمرة المسبقة أو طريقة من خطوتين.
من الممكن أيضًا استخدام طريقة من خطوة واحدة - يتم خلط البوليستر الخطي أو البولي إيثر مباشرةً مع ثنائي أيزوسيانات وموسع السلسلة وعامل الربط المتشابك ، بحيث يحدث التفاعل لتوليد مطاط البولي يوريثان.
مطاط البولي يوريثين بالحرارة (TPU)
مطاط البولي يوريثين الحراري هو كتلة (AB) n من البوليمر الخطي ، ويمثل A بوليستر أو بولي إيثر عالي الوزن الجزيئي (الوزن الجزيئي 1000-6000) ، ويسمى سلسلة طويلة ، ويمثل B 2-12 الكربون الخطي. سلسلة قصيرة ، والترابط الكيميائي بين مقاطع AB هو ثنائي أيزوسيانات.
العلاقة بين التركيب والخصائص الفيزيائية لمادة TPU
1. هيكل القطاع
يجعل الجزء A في جزيء TPU من السهل تدوير سلسلة الجزيئات ، مما يمنح مطاط البولي يوريثان مرونة جيدة ، ويقلل من نقطة التليين ونقطة الانتقال الثانوية للبوليمر ، ويقلل من الصلابة والقوة الميكانيكية. سوف يربط الجزء B دوران سلسلة الجزيئات الكبيرة ، بحيث يتم زيادة نقطة التليين ونقطة الانتقال الثانوية للبوليمر ، وزيادة الصلابة والقوة الميكانيكية ، وتقل المرونة. عن طريق ضبط النسبة المولية بين A و B ، يمكن تحضير TPU ذات الخواص الميكانيكية المختلفة.
2. هيكل متقاطع
بالإضافة إلى الارتباط التبادلي الأولي ، يجب أن يأخذ هيكل الربط المتقاطع لـ TPU أيضًا في الاعتبار الارتباط المتبادل الثانوي الذي يتكون من روابط الهيدروجين بين الجزيئات. تختلف رابطة البولي يوريثين الأولية للربط المتبادل عن هيكل الفلكنة لمطاط الهيدروكسي ، ومجموعة يوريتان ، والبيوريت ، ومجموعة الألوفانات والمجموعات الأخرى بشكل منتظم ومتباعدة في أجزاء صلبة ، وبالتالي فإن المطاط الذي تم الحصول عليه له هيكل شبكة منتظم ، لذلك لديها مقاومة تآكل ممتازة وخصائص ممتازة أخرى.
ثانيًا ، نظرًا لأن مطاط البولي يوريثان يحتوي على العديد من المجموعات مثل مجموعات اليوريا أو مجموعات اليوريثان ذات الطاقة المتماسكة الكبيرة ، فإن الروابط الهيدروجينية المتكونة بين السلاسل الجزيئية تتمتع بقوة عالية ، كما أن للربط العرضي الثانوي الذي تشكله الروابط الهيدروجينية للصحة تأثيرًا مهمًا على الخصائص من مطاط البولي يوريثين. يجعل الارتباط المتقاطع الثانوي مطاط البولي يوريثين يتمتع بخصائص المطاط الصناعي المتصلب بالحرارة من ناحية ، ومن ناحية أخرى ، لا يكون الارتباط المتقاطع فعلاً ربطًا متقاطعًا ، بل هو عبارة عن ارتباط متقاطع افتراضي ، والربط المتقاطع الحالة تعتمد على درجة الحرارة.
مع زيادة درجة الحرارة ، يضعف هذا الارتباط المتشابك تدريجياً ويختفي ، وللبوليمر سيولة معينة ويمكن معالجته بالحرارة. عندما تنخفض درجة الحرارة ، يتم استعادة هذا الارتباط المتشابك بشكل تدريجي وتشكيله مرة أخرى. تؤدي إضافة كمية صغيرة من الحشو إلى زيادة المسافة بين الجزيئات ، وتضعف القدرة على تكوين روابط هيدروجينية بين الجزيئات ، وستنخفض القوة بشكل حاد.
3. استقرار الجماعة
أظهر البحث أن ترتيب ثبات كل مجموعة في مطاط البولي يوريثان من الأعلى إلى الأدنى هو: استر ، إيثر ، يوريا ، يوريتان ، بيوريت. في عملية الشيخوخة لمطاط البولي يوريثان ، الأول هو مجموعة بيوريت واليوريا. يتم قطع الوصلات المتقاطعة للفورمات ، متبوعة بروابط اليوريثان واليوريا ، أي أن السلسلة الرئيسية مشقوقة.
خصائص مطاط البولي يوريثين
معامل مرونة TPU بين المطاط والبلاستيك. أكبر ميزة لها هي أنها تتمتع بالصلابة والمرونة ، والتي لا توجد في المطاط والبلاستيك الأخرى.
ينقسم TPU إلى نوعين: نوع البوليستر ونوع البولي إيثر. بالمقارنة مع الخصائص الفيزيائية ، فإن نوع البوليستر لديه أداء أفضل للمطاط منخفض الصلابة ، بينما نوع البولي إيثر أفضل للمطاط عالي الصلابة. يتمتع مطاط البوليستر بمقاومة أفضل للزيت ومقاومة للحرارة والالتصاق بالمعدن ، في حين أن نوع البولي إيثر أفضل لمقاومة التحلل المائي ومقاومة البرد والخصائص المضادة للبكتيريا.
1. الخصائص البيئية
تتمتع مادة TPU بشكل عام بمقاومة جيدة لدرجة الحرارة ، ودرجة الحرارة للاستخدام المستمر على المدى الطويل تتراوح من 80 إلى 90 درجة ، ويمكن أن تصل إلى حوالي 120 درجة في وقت قصير. مقاومة درجات الحرارة المنخفضة للبولي يوريثين جيدة أيضًا. تبلغ درجة حرارة هشاشة البولي يوريثين -40 درجة مئوية ، بينما تبلغ درجة حرارة البولي إيثر بولي يوريثين -70 ~ -80 درجة مئوية ، ولكنها ستصبح قاسية في درجات الحرارة المنخفضة.
تعتبر مقاومة زيت TPU جيدة نسبيًا ، لكن مقاومة الماء تختلف حسب الهيكل. ينتج أخطر تدهور لـ TPU عن انعكاس تفاعل تكوين الإستر. عندما يتلامس الإستر مع الماء ، فإن إعادة تكوين الحمض تكون مسؤولة عن تفاعل التحفيز الذاتي الذي يؤدي إلى تفكك الجزيء. يتفكك اليوريثان من البوليستر عند تعرضه للرطوبة في الهواء أكثر منه عند غمره بالكامل في الماء. هذا لأنه عند غمره في الماء ، يتم غسل الحمض المتشكل باستمرار.
تبلغ مقاومة التحلل المائي لمادة البولي إيثر البولي يوريثين من 3 إلى 5 أضعاف مقاومة البولي يوريثان البوليستر ، لأن مجموعة الأثير لن تتفاعل مع الماء.
هناك سببان يبرران لماذا يؤدي تغلغل الماء إلى تدهور أداء البولي يوريثين: أحدهما أن الماء المتسلل يشكل روابط هيدروجينية مع المجموعات القطبية في البولي يوريثين ، مما يضعف الروابط الهيدروجينية بين جزيئات البوليمر. هذه العملية قابلة للعكس. بعد استعادة الخصائص الفيزيائية.
والثاني هو أن الماء الغازي يحلل البولي يوريثين ، وهو أمر لا رجعة فيه.
سوف يتغير لون البولي يوريثين ويصبح داكنًا تحت التعرض لأشعة الشمس لفترة طويلة ، وستنخفض خواصه الفيزيائية تدريجيًا. يمكن أن تؤدي بكتيريا الإنزيم أيضًا إلى تحلل البولي يوريثين ، لذلك تضاف مضادات الأكسدة وممتصات الأشعة فوق البنفسجية والعوامل المضادة للإنزيم وما إلى ذلك إلى مطاط البولي يوريثين المستخدم في الإنتاج الصناعي.
2. الخواص الميكانيكية
قوة الشد: قوة الشد لمطاط البولي يوريثين عالية نسبيًا ، حيث تصل عمومًا إلى 28 إلى 42 ميجا باسكال ، و TPU في المنتصف ، حوالي 35 ميجا باسكال.
الاستطالة: تصل بشكل عام إلى 400 إلى 600 ، والحد الأقصى هو 1000 بالمائة.
المرونة: مرونة البولي يوريثين عالية نسبيًا ، لكن فقدها التخلفي كبير نسبيًا ، وبالتالي فإن توليد الحرارة مرتفع. يتضرر بسهولة في ظل ظروف التحميل للانحناء المتعدد والدرفلة عالية السرعة.
الصلابة: نطاق صلابة البولي يوريثين أوسع من تلك الخاصة بالمطاط الآخر ، وأقلها صلابة شور 10 ، ومعظم المنتجات لها صلابة من 45 إلى 95. عندما تكون الصلابة أعلى من 70 درجة ، تكون قوة الشد وقوة الاستطالة الثابتة أعلى من المطاط الطبيعي. عندما تكون الصلابة من 80 إلى 90 درجة ، فإن قوة الشد وقوة الاستطالة الثابتة وقوة التمزق تكون عالية جدًا.
مقاومة التمزق: قوة البولي يوريثين المسيل للدموع عالية نسبيًا. عندما ترتفع درجة حرارة الاختبار إلى 100-110 درجة ، فإن مقاومة التمزق تكافئ تلك الخاصة بمطاط ستايرين بوتادين.
مقاومة التآكل: مقاومة التآكل للبولي يوريثين جيدة جدًا ، 9 مرات أعلى من المطاط الطبيعي ، وأعلى من 1 إلى 3 مرات من مطاط الستايرين بوتادين
متطلبات المعالجة
TPU له خصائص مزدوجة من البلاستيك والمطاط. هذه الخصائص الفيزيائية والكيميائية الفريدة هي التي تتطلب منا أن نعامل بشكل خاص في تصميم القالب وصب الحقن.
تصميم قوالب:
1. تصميم العداء:
نظرًا لأن الذبابة هي المكان الذي يوجد به أعلى ضغط ، فعند تحرير ضغط الحقن ، سيزيد المكثف الموجود في الذراع من المقاومة بسبب التمدد المرن ، مما يؤدي إلى التصاق الفوهة بالقالب الأمامي. لذلك ، يجب زيادة منحدر إزالة القالب بأكبر قدر ممكن عند تصميم القالب. . لا يمكن أن يكون حجم الطرف الصغير للذراع أصغر من قطر فوهة آلة التشكيل بالحقن. تتطلب زيادة حجم الطرف الكبير وقتًا إضافيًا للتبريد وإطالة دورة الحقن. لذلك ، يتم تحقيق زيادة منحدر إزالة القوالب بشكل أساسي عن طريق تقصير طول الذبابة.
في ظل الظروف العادية ، يبلغ قطر الطرف الصغير للقناة الرئيسية حوالي 2.5 إلى 3. 0 مم ، وقطر النهاية الكبيرة أقل من 6. 0 مم ، ويجب ألا يكون الطول تتجاوز 40 مم. في نهاية القناة الرئيسية ، يجب وضع بئر بارد بقطر مماثل أو أكبر قليلاً مثل الطرف الكبير لجمع الغراء البارد وإبزيم مخرج الماء.
يجب أن يعتمد قطر العداء على هيكل المنتج وطول العداء. بشكل عام ، يجب ألا تقل عن 4. 0 مم. تتبنى قناة التحويل شكلًا دائريًا للحصول على تأثير تبريد أفضل.
2. تصميم البوابة:
نظرًا لضعف سيولة TPU ، يجب أن يكون عمق وعرض البوابة أكبر من تلك الموجودة في المواد البلاستيكية الحرارية الأخرى لتجنب التناقض بين الانكماش الجانبي والطولي الناجم عن النفث والتوجه الجزيئي للغرواني الذي يمر عبر البوابة بينما أبعاد الطول فهي أصغر من العادية لتسهيل مرور الغرويات. ستؤدي البوابة الطويلة جدًا إلى إخراج الغروانية أثناء التعبئة ، مما سيؤثر على مظهر المنتج. يجب تجنب البوابات التي يمكن أن تسبب القص المفرط وتوليد الحرارة للمادة قدر الإمكان.
3. تصميم أخدود العادم:
يجب أن يكون عادم القالب كافيًا لمنع المنتج من الاحتراق ، خاصةً عندما يتغير اتجاه التعبئة للمادة المطاطية بشكل حاد والجزء الذي يتم فيه ملء المنتج أخيرًا ، يجب إيلاء اهتمام خاص لإعداد العادم. يجب تمييز عمق أخدود العادم حسب نوع TPU. أحيانًا يكون عمق أخدود العادم 0. 01 ملم فقط ، وسيتم إنشاء ستارة عند أخدود العادم ، والتي لها علاقة مهمة بخصائص المواد الخاصة لمادة TPU.
4. تصميم نظام التبريد:
تأثير التبريد للقالب أفضل. بالنسبة للمواد البلاستيكية الحرارية الأخرى ، طالما أن الطبقة المجمدة الموجودة على سطح المنتج تتمتع بقوة كافية أثناء التشكيل بالحقن ، يمكن إخراج المنتج وفكه عند درجة حرارة أعلى. بالنسبة إلى TPU ، عندما تكون درجة الحرارة عالية ، لا يتم استعادة الروابط الهيدروجينية بين الجزيئات ، وتكون قوة الشد للمنتج منخفضة. لن يؤدي الطرد والتشكيل القسري إلا إلى تشوه المنتج. يتم استرداد المفتاح بالكامل ، ولا يمكن فك قالب TPU إلا عندما يكون لدى TPU قوة كافية ، مما يتطلب أن يكون تأثير التبريد للقالب أفضل.
5. تحديد معدل الانكماش:
يختلف معدل انكماش TPU اختلافًا كبيرًا باختلاف العلامة التجارية TPU المستخدمة ، وسمك وبنية المنتج ، ودرجة الحرارة والضغط أثناء التشكيل بالحقن ، ويتراوح مداها بين {{0}. 1 بالمائة و 2.0 بالمائة . عند تصميم القالب ، لا ينبغي فقط الرجوع إلى بيانات معدل انكماش المادة الخام ، ولكن أيضًا وفقًا لهيكل وسمك المنتج لتقدير درجة حرارة الحقن والضغط لاستخدامهما في قولبة الحقن وإجراء التصحيحات المناسبة. بالنسبة للمنتجات ذات المواضع اللاصقة المحلية السميكة ، يكون الضغط المطلوب لقولبة الحقن أكبر ، ومعدل الانكماش للمنتج المقولب أصغر ، لذلك من الضروري تقليل معدل انكماش TPU. بالنسبة للمنتجات ذات موضع الغراء المنتظم نسبيًا والمنتج السميك ، يجب زيادة قيمة معدل الانكماش بشكل مناسب.
معالجة الحقن
1. تجفيف المواد الخام لأن تسرب الرطوبة يمكن أن يؤدي إلى تدهور مادة TPU
عندما يتجاوز محتوى الرطوبة في مادة TPU 0. 2 في المائة ، لا يتأثر مظهر المنتج فحسب ، بل تتدهور أيضًا الخصائص الميكانيكية بشكل واضح ، كما أن المنتج المصبوب بالحقن يتسم بمرونة ضعيفة وقوة منخفضة. لذلك ، يجب تجفيفها عند درجة حرارة 80 درجة إلى 110 درجة لمدة 2 إلى 3 ساعات قبل صب الحقن.
2. تنظيف البرميل
يجب تنظيف برميل آلة التشكيل بالحقن ، وخلط عدد قليل جدًا من المواد الخام الأخرى سيقلل من القوة الميكانيكية للمنتج. يجب تنظيف البراميل التي تم تنظيفها باستخدام ABS و PMMA و PE مرة أخرى باستخدام مادة فوهة TPU قبل صب الحقن ، ويجب إزالة المواد المتبقية في البرميل باستخدام مادة فوهة TPU.
3. التحكم في درجة حرارة المعالجة
درجة حرارة معالجة TPU لها تأثير حاسم على الحجم النهائي والمظهر والتشوه للمنتج. تعتمد درجة الحرارة على درجة TPU المستخدمة والظروف المحددة لتصميم القالب. الاتجاه العام هو أنه من أجل الحصول على معدل انكماش صغير ، يجب زيادة درجة حرارة المعالجة ؛ للحصول على معدل انكماش كبير ، يجب خفض درجة حرارة المعالجة. حتى ضمن نطاق درجة حرارة المعالجة العادية لـ TPU ، إذا بقيت المادة الخام في البرميل لفترة طويلة جدًا ، فسوف يؤدي ذلك إلى تدهور حراري لـ TPU ، ويجب إفراغ المواد المتبقية في البرميل قبل صب الحقن. يعد التحكم في درجة حرارة الفوهة أمرًا مهمًا أيضًا. في ظل الظروف العادية ، يجب أن تكون أعلى بحوالي 5 درجات من درجة حرارة الطرف الأمامي للبرميل.
4. التحكم في سرعة الحقن وضغطه
ستعمل سرعة الحقن المنخفضة ووقت الإقامة الأطول على تعزيز التوجه الجزيئي ، وعلى الرغم من إمكانية الحصول على حجم أصغر للمنتج ، فإن تشوه المنتج سيكون أكبر ، وسيكون الفرق بين الانكماش العرضي والانكماش الطولي كبيرًا. سيؤدي ضغط الإمساك الكبير أيضًا إلى ضغط الغروانية بشكل مفرط في القالب ، ويكون حجم المنتج بعد إزالة القوالب أكبر من حجم تجويف القالب.
5. التحكم في سرعة الذوبان والضغط الخلفي
مادة TPU أكثر حساسية للقص. عندما تكون حرارة القص الناتجة عن سرعة الانصهار العالية والضغط الخلفي مرتفعة للغاية ، فإنها ستؤدي إلى تدهور حراري لمادة TPU. لذلك ، يتم استخدام السرعة المنخفضة أو المتوسطة عمومًا في ذوبان TPU. إذا كانت دورة القولبة بالحقن طويلة ، فيجب استخدام وظيفة الصهر المتأخر ، وسيبدأ فتح القالب بعد اكتمال الصهر ، وذلك لمنع المواد الخام من البقاء في البرميل لفترة طويلة ومتدهورة.
