PU elastomer, også kendt som polyurethan elastomer, er et syntetisk polymermateriale, der indeholder flere urethangrupper på hovedkæden. PU-elastomerer har en bred vifte af egenskaber, som er tæt forbundet med dens struktur, og dens struktur afhænger af mange faktorer såsom reaktanter, reaktionstid, reaktionstemperatur og selv små ændringer i vandindholdet kan forårsage PU-elastomerer Kæmpe forskel i mekaniske egenskaber . DernæstPU pigment producentvil introducere strukturen og ydeevnen af PU elastomer for dig.
(1) Mikrofaseadskillelsesstruktur af PU-elastomer
Ydeevnen af PU er hovedsageligt påvirket af den morfologiske struktur af den makromolekylære kæde. Den unikke fleksibilitet og fremragende fysiske egenskaber af PU kan forklares med to-fase morfologien. Graden af mikrofaseadskillelse og tofasestrukturen af bløde og hårde segmenter i PU-elastomerer er afgørende for deres ydeevne. Moderat faseadskillelse er fordelagtig for at forbedre polymerens egenskaber. Separationsprocessen ved mikrofaseseparation er, at forskellen i polaritet mellem det hårde segment og det bløde segment og krystalliniteten af det hårde segment selv fører til deres termodynamiske uforenelighed (ublandbarhed) og en tendens til spontan faseadskillelse, så det hårde segment er let at aggregere sammen for at danne domæner, som er spredt i den kontinuerlige fase dannet af de bløde segmenter. Processen med mikrofaseseparation er faktisk processen med adskillelse og aggregering eller krystallisation af det hårde segment i elastomeren fra copolymersystemet.
Fænomenet PU-mikrofaseadskillelse blev først foreslået af den amerikanske forsker Cooper. Derefter blev der lavet en del research på strukturen af polyurethan. Forskningen i PU-aggregatstrukturen har også gjort fremskridt og har dannet en relativt komplet mikrofase. Strukturelt teorisystem: I blok-PU-systemet induceres mikrofaseadskillelsen af hårde og bløde segmenter af termodynamisk inkompatibilitet mellem segmenter og bløde segmenter. Tiltrækningskraften af segmenterne mellem de hårde segmenter er meget større end segmenterne mellem de bløde segmenter. De hårde segmenter er uopløselige i den bløde segmentfase, men er fordelt i den og danner en diskontinuerlig mikrofasestruktur (havø-struktur). Det spiller en fysisk forbindende og forstærkende rolle i det bløde segment. I processen med mikrofaseseparation vil den øgede interaktion mellem hårde segmenter lette adskillelsen af hårde segmenter fra systemet og aggregere eller krystallisere, hvilket fremmer mikrofaseseparation. Selvfølgelig er der en vis kompatibilitet mellem plastfasen og gummifasen, og faserne mellem plastikmikrodomænerne og gummimikrodomænerne blandes til en gennemstrømningsfase. Samtidig er andre modeller relateret til mikrofaseseparation også blevet foreslået, såsom de hårde segmenter og bløde segmentberigelsesregioner foreslået af Seymour et al. Paik Sung og Schneide foreslog en mere realistisk strukturel model for mikrofaseseparation: graden af mikrofaseseparation i urethan er ufuldkommen, ikke helt mikrofase-sameksistens, men inkluderer blandede bløde segmentenheder. Der er en blanding mellem segmenter i mikro-domænet, hvilket har en vis grad af indflydelse på materialets morfologi og mekaniske egenskaber. Det bløde segment indeholder hårde segmenter, hvilket kan føre til en ændring i glasovergangstemperaturen for det bløde segment. Klart forbedret, hvilket indsnævrer rækken af materialer, der bruges i miljøer med lav temperatur. Inklusionen af bløde segmenter i de hårde segmentdomæner kan sænke glasovergangstemperaturen for de hårde segmentdomæner og derved reducere materialets varmebestandighed.
(2) Hydrogenbindingsadfærd af PU-elastomerer
Hydrogenbindinger eksisterer mellem grupper indeholdende nitrogenatomer og oxygenatomer med stærk elektronegativitet og grupper indeholdende hydrogenatomer. Gruppernes sammenhængende energi er relateret til størrelsen af gruppernes sammenhængende energi. Stærke hydrogenbindinger eksisterer for det meste mellem segmenter. Ifølge rapporter kan de fleste af imingrupperne i de forskellige grupper i PU-makromolekyler danne hydrogenbindinger, og de fleste af dem er dannet af imingrupperne og carbonylgrupperne i det hårde segment, og en lille del dannes med etherilten i det bløde segment. gruppe eller estercarbonyl dannet. Sammenlignet med bindingskraften af intramolekylære kemiske bindinger er hydrogenbindingskraften meget mindre. Imidlertid er eksistensen af et stort antal hydrogenbindinger i polære polymerer også en af de vigtige faktorer, der påvirker ydeevnen. Hydrogenbindinger er reversible. Ved lavere temperaturer fremmer det tætte arrangement af de seksuelle segmenter dannelsen af brintbindinger: ved højere temperaturer modtager segmenterne energi og gennemgår termisk bevægelse, afstanden mellem segmenter og molekyler øges, og brintbindingerne svækkes eller endda forsvinder. Hydrogenbindinger spiller rollen som fysisk tværbinding, hvilket kan få PU-legemet til at have højere styrke, slidstyrke, opløsningsmiddelbestandighed og mindre permanent deformation af træk. Jo flere brintbindinger, jo stærkere er de intermolekylære kræfter, og jo højere styrke er materialet. Mængden af hydrogenbindinger påvirker direkte graden af mikrofasedifferentiering af systemet.
(3) Krystallinitet
Lineær PU med regelmæssig struktur, mere polære og stive grupper, flere intermolekylære hydrogenbindinger og gode krystallinske egenskaber, nogle egenskaber ved PU-materialer er blevet forbedret, såsom styrke, opløsningsmiddelresistens osv. PU-materialers hårdhed, styrke og blødgøringspunkt stigning med stigningen i krystallinitet, mens forlængelse og opløselighed falder tilsvarende. Til nogle applikationer, såsom en-komponent termoplastiske PU-klæbemidler, kræves hurtig krystallisering for at opnå initial klæbeevne. Nogle termoplastiske PU-elastomerer frigives hurtigere på grund af deres høje krystallinitet. Krystallinske polymerer bliver ofte uigennemsigtige på grund af anisotropien af brudt lys. Hvis en lille mængde forgrenede eller vedhængende grupper indføres i det krystallinske lineære PU-makromolekyle, falder materialets krystallinitet. Når tværbindingstætheden stiger til en vis grad, mister det bløde segment sin krystallinitet. Når materialet strækkes, gør trækspændingen det bløde segments molekylære kæde orienteret, og regelmæssigheden forbedres, PU-elastomerens krystallinitet forbedres, og materialets styrke forbedres tilsvarende. Jo stærkere polariteten af det hårde segment er, jo mere befordrende for forbedringen af gitterenergien af PU-materialet efter krystallisation. For polyether PU stiger de polære grupper med stigningen i indholdet af hårde segmenter, den intermolekylære kraft af det hårde segment øges, graden af mikrofaseseparation øges, det hårde segments mikrodomæne danner gradvist krystaller, og krystalliniteten øges med det hårde segment. indhold. Øg gradvist materialets styrke.
(4) Indflydelse af blød segmentstruktur på ydeevnen af PU-elastomer
Oligomere polyoler såsom polyethere og polyestere udgør de bløde segmenter. Det bløde segment tegner sig for det meste af PU, og egenskaberne af PU fremstillet af forskellige oligomere polyoler og diisocyanater er forskellige. Det fleksible (bløde) segment af PU-elastomerer påvirker hovedsageligt materialets elastiske egenskaber og bidrager væsentligt til dets lave temperatur- og trækegenskaber. Derfor er Tg-parameteren for det bløde segment ekstremt vigtig, og for det andet er krystalliniteten, smeltepunktet og belastningsinduceret krystallisation også faktorer, der påvirker dets ultimative mekaniske egenskaber. PU-elastomeren og skummet af polyester med stærk polaritet som blødt segment har bedre mekaniske egenskaber. Fordi PU'et lavet af polyesterpolyol indeholder en stor polær estergruppe, kan dette PU-materiale ikke kun danne hydrogenbindinger mellem de hårde segmenter, men også de polære grupper på det bløde segment kan delvist interagere med de hårde segmenter. De polære grupper danner hydrogenbindinger, så den hårde segmentfase kan fordeles mere ensartet i den bløde segmentfase, der fungerer som et elastisk tværbindingspunkt. Nogle polyesterpolyoler kan danne bløde segmentkrystaller ved stuetemperatur, hvilket påvirker PU's ydeevne. Styrken, olieresistensen og den termiske oxidative ældning af polyester PU-materiale er højere end for PPG polyether PU-materiale, men hydrolyseresistensen er værre end for polyethertypen. Polytetrahydrofuran (PTMG) PU er let at danne krystaller på grund af dens regelmæssige molekylære kædestruktur, og dens styrke er sammenlignelig med polyester PU. Generelt er ethergruppen i det bløde segment af polyether PU lettere at rotere internt, har god fleksibilitet og har fremragende lavtemperaturydelse, og der er ingen estergruppe, der er relativt let at hydrolysere i polyetherpolyolkæden, som er modstandsdygtig over for hydrolyse. Bedre end polyester PU. α-carbonet i etherbindingen i det bløde polyethersegment oxideres let til dannelse af peroxidradikaler, hvilket resulterer i en række oxidative nedbrydningsreaktioner. PU med polybutadien molekylær kæde som blødt segment har svag polaritet, dårlig kompatibilitet mellem bløde og hårde segmenter og dårlig elastomerstyrke. Det bløde segment, der indeholder sidekæden, har på grund af sterisk hindring svage hydrogenbindinger og dårlig krystallinitet, og dets styrke er værre end den af samme bløde segmenthovedkæde uden sidegruppe PU. Molekylvægten af det bløde segment har en indvirkning på de mekaniske egenskaber af PU. Generelt, hvis man antager den samme molekylvægt af PU, falder styrken af PU-materialet med stigningen i molekylvægten af det bløde segment; hvis det bløde segment er en polyesterkæde, aftager styrken af polymermaterialet langsomt med forøgelsen af polyesterdiolens molekylvægt; Hvis det bløde segment er en polyetherkæde, falder styrken af polymermaterialet med forøgelsen af polyetherglycolens molekylvægt, men forlængelsen øges. Dette skyldes den høje polaritet af det bløde estersegment og den store intermolekylære kraft, som delvist kan opveje faldet i styrken af PU-materialet på grund af stigningen i molekylvægten og stigningen i indholdet af det bløde segment. Polariteten af det bløde segment af polyether er dog svag. Hvis molekylvægten stiger, falder indholdet af det hårde segment i den tilsvarende PU, hvilket resulterer i et fald i materialets styrke. Kompatibiliteten af PU-copolymerer er relateret til kædestrukturen af makromolekyler, og tilstedeværelsen af podekæder har en betydelig effekt på foreneligheden og dæmpningsegenskaberne af polyurethanblokcopolymerer. Generelt er effekten af blødt segments molekylvægt på modstanden og termiske ældningsegenskaber af PU-elastomerer ikke signifikant. Krystalliniteten af det bløde segment har et stort bidrag til krystalliniteten af det lineære PU. Generelt er krystallinitet gavnlig for at forbedre styrken af PU. Men nogle gange reducerer krystallisation materialets lave temperaturfleksibilitet, og krystallinske polymerer er ofte uigennemsigtige. For at undgå krystallisation kan molekylets integritet reduceres, såsom at bruge copolyester eller copolyetherpolyol, eller blandet polyol, blandet kædeforlænger osv.
(5) Indflydelse af hårdt segment på ydeevnen af PU-elastomer
Den hårde segmentstruktur er en af de vigtigste faktorer, der påvirker varmebestandigheden af PU-elastomerer. Strukturen af diisocyanatet og kædeforlængeren, der udgør PU-elastomersegmentet, er forskellig, hvilket også påvirker varmebestandigheden. Det hårde segment af PU-materiale er sammensat af polyisocyanat og kædeforlænger. Den indeholder stærke polære grupper såsom urethangruppe, arylgruppe og substitueret ureagruppe. Normalt er det stive segment dannet af aromatisk isocyanat ikke let at ændre og strækker sig ved stuetemperatur. stangformet. Hårde segmenter påvirker normalt højtemperaturegenskaberne af PU, såsom blødgørings- og smeltetemperatur. Almindelig anvendte diisocyanater er TDI, MDI, IPDI, PPDI, NDI osv., almindeligt anvendte alkoholer er ethylenglycol, -butandiol, hexandiol osv., og almindeligt anvendte aminer er MOCA, EDA, DETDA osv. Typen af hårdt segment vælges i henhold til polymerens ønskede mekaniske egenskaber, såsom maksimal brugstemperatur, vejrbestandighed, opløselighed osv., og dens økonomi bør også tages i betragtning. Forskellige diisocyanatstrukturer kan påvirke det hårde segments regelmæssighed og dannelsen af hydrogenbindinger og dermed have en større indflydelse på elastomerens styrke. Generelt gør den isocyanatholdige aromatiske ring, at det hårde segment har større stivhed og sammenhængende energi, hvilket generelt øger elastomerens styrke.
Det stive segment, der indeholder urinstofgruppe, der består af diisocyanat og diaminkædeforlænger, fordi sammenhængen mellem urinstofgruppen er meget stor, er det let at danne plastikmikrodomæne, og PU'en, der består af dette stive segment, er meget tilbøjelig til mikrofaseseparation. Generelt er det sådan, at jo højere stivheden af det stive segment, der udgør PU, er, jo mere sandsynligt vil det forårsage mikrofaseseparation. I PU gælder det, at jo højere indholdet af det stive segment er, desto større er sandsynligheden for at forårsage mikrofaseseparation.
Kædeforlængeren er relateret til PU-elastomerens hårde segmentstruktur og har stor indflydelse på elastomerens ydeevne. Sammenlignet med den kædeforlængede PU af alifatiske dioler, har den kædeforlængede PU indeholdende aromatisk ringdiamin højere styrke, fordi aminkædeforlængeren kan danne en urinstofbinding, og urinstofbindingens polaritet er højere end urethanbindingen. . Desuden er forskellen i opløselighedsparametre mellem det hårde segment af urinstofbinding og det bløde segment af polyether stor, så det hårde segment af polyurinstof og det bløde segment af polyether har større termodynamisk inkompatibilitet, hvilket gør, at PU-urinstof har bedre mikrofaseadskillelse. Derfor har den diaminkædeforlængede PU højere mekanisk styrke, modul, viskoelasticitet og varmebestandighed end den diolkædeforlængede PU og har også bedre ydeevne ved lav temperatur. Støbning af PU-elastomerer anvender for det meste aromatiske diaminer som kædeforlængere, fordi PU-elastomererne fremstillet deraf har gode omfattende egenskaber. Ved at reagere maleinsyreanhydrid og polyol til dannelse af carboxylesterpolyol og derefter reagere med andre monomerer såsom TDI-80, tværbindingsmiddel og kædeforlænger, blev den carboxylholdige PU-præpolymer fremstillet, som blev dispergeret i tre i den vandige opløsning af ethanolamin , blev der fremstillet vandbaseret PU, og indflydelsen af typen og mængden af kædeforlænger på harpiksens egenskaber blev undersøgt. Brug af bisphenol A som kædeforlænger kan ikke kun forbedre harpiksens mekaniske egenskaber, men også øge harpiksens glasovergangstemperatur, udvide bredden af den indre friktionstoppe og forbedre harpiksens temperaturområde i lædertilstand [ 12]. Strukturen af diaminkædeforlængeren, der anvendes i PU-urinstof, påvirker direkte hydrogenbindingen, krystallisationen og mikrofasestrukturseparationen i materialet og bestemmer i høj grad materialets ydeevne [13]. Med stigningen i hårdt segmentindhold steg trækstyrken og hårdheden af PU-materiale gradvist, og forlængelsen ved brud faldt. Dette skyldes, at der er mikrofaseadskillelse mellem fasen med en vis grad af krystallinitet dannet af det hårde segment og den amorfe fase dannet af det bløde segment, og det krystallinske område af det hårde segment fungerer som et effektivt tværbindingspunkt. Det spiller også en rolle svarende til fyldstofforstærkning for det amorfe område af det bløde segment. Når indholdet stiger, forstærkes forstærkningseffekten og den effektive tværbindingseffekt af det hårde segment i det bløde segment, hvilket fremmer forøgelsen af materialestyrken.
(6) Indflydelse af tværbinding på egenskaberne af PU-elastomerer
Moderat intramolekylær tværbinding kan øge hårdheden, blødgøringstemperaturen og elasticitetsmodulet af PU-materialer og reducere forlængelse ved brud, permanent deformation og hævelse i opløsningsmidler. For PU-elastomerer kan korrekt tværbinding producere materialer med fremragende mekanisk styrke, høj hårdhed, elasticitet og fremragende slidstyrke, oliebestandighed, ozonbestandighed og varmebestandighed. Men hvis tværbindingen er for stor, kan egenskaberne såsom trækstyrke og forlængelse reduceres. I blok-PU-elastomerer kan kemisk tværbinding opdeles i to kategorier: (1) anvendelse af trifunktionelle kædeforlængere (såsom TMP) til at danne en tværbindingsstruktur; (2) anvendelse af overskydende isocyanat til at reagere for at danne dikondensat Urea (via urinstofgrupper) eller allophanat (via urethangrupper) tværbinding. Tværbinding har en betydelig effekt på graden af hydrogenbinding, og dannelsen af tværbindinger reducerer i høj grad graden af hydrogenbinding af materialet, men kemisk tværbinding har bedre termisk stabilitet end fysisk tværbinding forårsaget af hydrogenbinding. Da virkningerne af kemisk tværbindingsnetværk på morfologien, mekaniske egenskaber og termiske egenskaber af PU-urea-elastomerer blev undersøgt ved hjælp af FT-IR og DSC, blev det fundet, at PU-urea-elastomerer med forskellige tværbindingsnetværk havde forskellige morfologier. Efterhånden som tætheden øges, øges graden af mikrofaseblanding af elastomeren, glasovergangstemperaturen for det bløde segment øges betydeligt, og elastomerens 300 % trækstyrke øges gradvist, mens forlængelsen ved brud gradvist aftager. Når , når de mekaniske egenskaber (trækstyrke og rivestyrke) af elastomeren højest.