PU-elastomer, även känd som polyuretanelastomer, är ett syntetiskt polymermaterial som innehåller fler uretangrupper på huvudkedjan. PU-elastomerer har ett brett utbud av egenskaper, som är nära besläktade med dess struktur, och dess struktur beror på många faktorer såsom reaktanter, reaktionstid, reaktionstemperatur och även små förändringar i vatteninnehåll kan orsaka PU-elastomerer Stor skillnad i mekaniska egenskaper . Nästa, denPU-pigmenttillverkarekommer att introducera strukturen och prestandan för PU-elastomer för dig.
(1) Mikrofasseparationsstruktur av PU-elastomer
Prestandan hos PU påverkas huvudsakligen av den makromolekylära kedjans morfologiska struktur. Den unika flexibiliteten och utmärkta fysikaliska egenskaperna hos PU kan förklaras av tvåfasmorfologin. Graden av mikrofasseparation och tvåfasstrukturen hos mjuka och hårda segment i PU-elastomerer är avgörande för deras prestanda. Måttlig fasseparation är fördelaktig för att förbättra polymerens egenskaper. Separationsprocessen för mikrofasseparation är att skillnaden i polaritet mellan det hårda segmentet och det mjuka segmentet och kristalliniteten hos det hårda segmentet i sig leder till deras termodynamiska inkompatibilitet (oblandbarhet) och en tendens till spontan fasseparation, så det hårda segmentet är lätt. att aggregera samman för att bilda domäner, som är dispergerade i den kontinuerliga fasen som bildas av de mjuka segmenten. Processen för mikrofasseparation är faktiskt processen för separation och aggregering eller kristallisering av det hårda segmentet i elastomeren från sampolymersystemet.
Fenomenet PU-mikrofasseparation föreslogs först av den amerikanske forskaren Cooper. Därefter gjordes en hel del forskningsarbete kring strukturen av polyuretan. Forskningen om PU-aggregatstrukturen har också gjort framsteg och bildar en relativt komplett mikrofas. Strukturteorisystem: I block-PU-systemet induceras mikrofasseparationen av hårda och mjuka segment av termodynamisk inkompatibilitet mellan segment och mjuka segment. Attraktionskraften hos segmenten mellan de hårda segmenten är mycket större än för segmenten mellan de mjuka segmenten. De hårda segmenten är olösliga i den mjuka segmentfasen, men är fördelade i den och bildar en diskontinuerlig mikrofasstruktur (havsö-struktur). Den spelar en fysisk länkande och förstärkande roll i det mjuka segmentet. I processen med mikrofasseparering kommer den ökade interaktionen mellan hårda segment att underlätta separationen av hårda segment från systemet och aggregera eller kristallisera, vilket främjar mikrofasseparation. Naturligtvis finns det en viss kompatibilitet mellan plastfasen och gummifasen, och faserna mellan plastmikrodomänerna och gummimikrodomänerna blandas för att bilda en genomströmningsfas. Samtidigt har andra modeller relaterade till mikrofasseparation också föreslagits, såsom anrikningsregionerna för hårda segment och mjuka segment som föreslagits av Seymour et al. Paik Sung och Schneide föreslog en mer realistisk strukturell modell av mikrofasseparation: graden av mikrofasseparation i uretan är ofullkomlig, inte helt samexistens i mikrofas, men inkluderar blandade mjuka segmentenheter. Det finns en blandning mellan segment i mikrodomänen, vilket har en viss grad av inflytande på materialets morfologi och mekaniska egenskaper. Det mjuka segmentet innehåller hårda segment, vilket kan leda till en förändring av glasövergångstemperaturen för det mjuka segmentet. Ljust förbättrad, vilket minskar utbudet av material som används i lågtemperaturmiljöer. Inkluderandet av mjuka segment i de hårda segmentdomänerna kan sänka glasövergångstemperaturen för de hårda segmentdomänerna, och därigenom minska materialets värmebeständighet.
(2) Vätebindningsbeteende hos PU-elastomerer
Vätebindningar finns mellan grupper som innehåller kväveatomer och syreatomer med stark elektronegativitet och grupper som innehåller väteatomer. Gruppernas kohesiva energi är relaterad till storleken på gruppernas kohesiva energi. Starka vätebindningar finns oftast mellan segmenten. Enligt rapporter kan de flesta av imingrupperna i de olika grupperna i PU-makromolekyler bilda vätebindningar, och de flesta av dem bildas av imingrupperna och karbonylgrupperna i det hårda segmentet, och en liten del bildas med etersyren i det mjuka segmentet. grupp eller esterkarbonyl bildas. Jämfört med bindningskraften hos intramolekylära kemiska bindningar är vätebindningskraften mycket mindre. Men förekomsten av ett stort antal vätebindningar i polära polymerer är också en av de viktiga faktorerna som påverkar prestandan. Vätebindningar är reversibla. Vid lägre temperaturer främjar det nära arrangemanget av de sexuella segmenten bildandet av vätebindningar: vid högre temperaturer får segmenten energi och genomgår termisk rörelse, avståndet mellan segment och molekyler ökar och vätebindningarna försvagas eller till och med försvinner. Vätebindningar spelar rollen som fysisk tvärbindning, vilket kan göra att PU-kroppen har högre hållfasthet, nötningsbeständighet, lösningsmedelsbeständighet och mindre draghållfast deformation. Ju fler vätebindningar, desto starkare är de intermolekylära krafterna och desto högre hållfasthet har materialet. Mängden vätebindningar påverkar direkt graden av mikrofasdifferentiering av systemet.
(3) Kristallinitet
Linjär PU med regelbunden struktur, mer polära och stela grupper, mer intermolekylära vätebindningar och goda kristallina egenskaper, vissa egenskaper hos PU-material har förbättrats, såsom hållfasthet, lösningsmedelsbeständighet etc. PU-materials hårdhet, styrka och mjukningspunkt ökar med ökningen av kristalliniteten, medan förlängning och löslighet minskar i enlighet därmed. För vissa applikationer, såsom enkomponents termoplastiska PU-lim, krävs snabb kristallisering för att erhålla initial klibbighet. Vissa termoplastiska PU-elaster frigörs snabbare på grund av deras höga kristallinitet. Kristallina polymerer blir ofta ogenomskinliga på grund av anisotropin av brutet ljus. Om en liten mängd grenade eller vidhängande grupper införs i den kristallina linjära PU-makromolekylen, minskar kristalliniteten hos materialet. När tvärbindningsdensiteten ökar i viss utsträckning förlorar det mjuka segmentet sin kristallinitet. När materialet sträcks gör dragspänningen molekylkedjan i det mjuka segmentet orienterad och regelbundenheten förbättras, PU-elastomerens kristallinitet förbättras och materialets hållfasthet förbättras på motsvarande sätt. Ju starkare polariteten hos det hårda segmentet är, desto mer bidrar till förbättringen av gitterenergin hos PU-materialet efter kristallisation. För polyeter PU, med ökningen av innehållet i hårda segment, ökar de polära grupperna, den intermolekylära kraften hos det hårda segmentet ökar, graden av mikrofasseparation ökar, det hårda segmentets mikrodomän bildar gradvis kristaller och kristalliniteten ökar med det hårda segmentet innehåll. Öka gradvis styrkan på materialet.
(4) Inverkan av mjuk segmentstruktur på prestandan hos PU-elastomer
Oligomera polyoler såsom polyetrar och polyestrar utgör de mjuka segmenten. Det mjuka segmentet står för det mesta av PU, och egenskaperna hos PU framställd av olika oligomerpolyoler och diisocyanater är olika. Det flexibla (mjuka) segmentet av PU-elastomerer påverkar främst materialets elastiska egenskaper och bidrar väsentligt till dess låga temperatur- och dragegenskaper. Därför är Tg-parametern för det mjuka segmentet extremt viktig, och för det andra är kristalliniteten, smältpunkten och töjningsinducerad kristallisation också faktorer som påverkar dess slutliga mekaniska egenskaper. PU-elastomeren och skummet av polyester med stark polaritet som mjukt segment har bättre mekaniska egenskaper. Eftersom PU tillverkad av polyesterpolyol innehåller en stor polär estergrupp, kan detta PU-material inte bara bilda vätebindningar mellan de hårda segmenten, utan även de polära grupperna på det mjuka segmentet kan delvis interagera med de hårda segmenten. De polära grupperna bildar vätebindningar, så att den hårda segmentfasen kan fördelas mer likformigt i den mjuka segmentfasen, som fungerar som en elastisk tvärbindningspunkt. Vissa polyesterpolyoler kan bilda mjuka segmentkristaller vid rumstemperatur, vilket påverkar prestandan hos PU. Styrkan, oljebeständigheten och termisk oxidativ åldring av polyester PU-material är högre än för PPG-polyeter-PU-material, men hydrolysbeständigheten är sämre än för polyetertyp. Polytetrahydrofuran (PTMG) PU är lätt att bilda kristaller på grund av dess regelbundna molekylära kedjestruktur, och dess styrka är jämförbar med polyester PU. Generellt sett är etergruppen i det mjuka segmentet av polyeter PU lättare att rotera internt, har god flexibilitet och har utmärkta lågtemperaturprestanda, och det finns ingen estergrupp som är relativt lätt att hydrolysera i polyeterpolyolkedjan, vilket är resistent mot hydrolys. Bättre än polyester PU. α-kolet i eterbindningen i det mjuka polyetersegmentet oxideras lätt för att bilda peroxidradikaler, vilket resulterar i en serie oxidativa nedbrytningsreaktioner. PU med polybutadien molekylkedja som mjukt segment har svag polaritet, dålig kompatibilitet mellan mjuka och hårda segment och dålig elastomerstyrka. Det mjuka segmentet som innehåller sidokedjan, på grund av steriskt hinder, har svaga vätebindningar och dålig kristallinitet, och dess styrka är sämre än den hos samma mjuka segments huvudkedja utan sidogrupp PU. Molekylvikten hos det mjuka segmentet har en inverkan på de mekaniska egenskaperna hos PU. Generellt sett, om man antar samma molekylvikt för PU, minskar styrkan hos PU-materialet med ökningen av molekylvikten för det mjuka segmentet; om det mjuka segmentet är en polyesterkedja, minskar hållfastheten hos polymermaterialet långsamt med ökningen av molekylvikten hos polyesterdiolen; Om det mjuka segmentet är en polyeterkedja, minskar polymermaterialets hållfasthet med ökningen av polyeterglykolens molekylvikt, men förlängningen ökar. Detta beror på den höga polariteten hos det mjuka estersegmentet och den stora intermolekylära kraften, som delvis kan kompensera för minskningen av styrkan hos PU-materialet på grund av ökningen av molekylvikten och ökningen av innehållet i mjuka segment. Emellertid är polariteten hos det mjuka segmentet av polyeter svag. Om molekylvikten ökar, minskar halten av det hårda segmentet i motsvarande PU, vilket resulterar i en minskning av hållfastheten hos materialet. Kompatibiliteten för PU-sampolymerer är relaterad till kedjestrukturen hos makromolekyler, och närvaron av ympkedjor har en betydande effekt på kompatibiliteten och dämpningsegenskaperna hos polyuretansegmentsampolymerer. I allmänhet är effekten av molekylvikt för mjuka segment på motståndskraften och termiska åldringsegenskaper hos PU-elaster inte signifikant. Kristalliniteten hos det mjuka segmentet har ett stort bidrag till kristalliniteten hos den linjära PU. Generellt sett är kristallinitet fördelaktigt för att förbättra styrkan hos PU. Men ibland minskar kristallisation materialets lågtemperaturflexibilitet, och kristallina polymerer är ofta ogenomskinliga. För att undvika kristallisering kan molekylens integritet reduceras, såsom att använda sampolyester eller sampolyeterpolyol, eller blandad polyol, blandad kedjeförlängare, etc.
(5) Inverkan av hårt segment på prestandan hos PU-elastomer
Den hårda segmentstrukturen är en av huvudfaktorerna som påverkar värmebeständigheten hos PU-elastomerer. Strukturen på diisocyanatet och kedjeförlängaren som utgör PU-elastomersegmentet är annorlunda, vilket också påverkar värmebeständigheten. Det hårda segmentet av PU-material består av polyisocyanat och kedjeförlängare. Den innehåller starka polära grupper såsom uretangrupp, arylgrupp och substituerad ureagrupp. Vanligtvis är det styva segmentet som bildas av aromatiskt isocyanat inte lätt att ändra och sträcker sig vid rumstemperatur. stavformad. Hårda segment påverkar vanligtvis högtemperaturegenskaperna hos PU, såsom mjuknings- och smälttemperatur. Vanligt använda diisocyanater är TDI, MDI, IPDI, PPDI, NDI, etc., vanliga alkoholer är etylenglykol, -butandiol, hexandiol, etc., och vanliga aminer är MOCA, EDA, DETDA, etc. Typen av hårt segment väljs enligt de önskade mekaniska egenskaperna hos polymeren, såsom maximal användningstemperatur, väderbeständighet, löslighet, etc., och dess ekonomi bör också beaktas. Olika diisocyanatstrukturer kan påverka det hårda segmentets regelbundenhet och bildningen av vätebindningar och därmed ha en större inverkan på elastomerens hållfasthet. Generellt sett gör den isocyanatinnehållande aromatiska ringen att det hårda segmentet har större styvhet och kohesiv energi, vilket generellt ökar elastomerens hållfasthet.
Det styva segmentet som innehåller ureagruppen består av diisocyanat och diaminkedjeförlängare, eftersom sammanhållningen av ureagruppen är mycket stor, är det lätt att bilda plastmikrodomän, och PU som består av detta styva segment är mycket benägen att separera mikrofas. Generellt sett gäller att ju högre styvheten är hos det stela segment som utgör PU, desto mer sannolikt orsakar mikrofasseparation. I PU, ju högre innehållet i det stela segmentet är, desto mer sannolikt orsakar mikrofasseparation.
Kedjeförlängaren är relaterad till den hårda segmentstrukturen hos PU-elastomeren och har stor inverkan på elastomerens prestanda. Jämfört med den kedjeförlängda PU av alifatiska dioler, har den kedjeförlängda PU som innehåller aromatisk ringdiamin högre styrka, eftersom aminkedjeförlängaren kan bilda en ureabindning och polariteten hos ureabindningen är högre än den för uretanbindningen . Dessutom är skillnaden i löslighetsparametrar mellan det hårda segmentet av ureabindning och det mjuka segmentet av polyeter stor, så det hårda segmentet av polyurea och det mjuka segmentet av polyeter har större termodynamisk inkompatibilitet, vilket gör att PU-urea har bättre mikrofasseparation. Därför har den diaminkedjeförlängda PU:n högre mekanisk hållfasthet, modul, viskoelasticitet och värmebeständighet än den diolkedjeförlängda PU:n och har också bättre prestanda vid låg temperatur. Gjutning av PU-elastomerer använder för det mesta aromatiska diaminer som kedjeförlängare eftersom PU-elasterna som framställs därav har goda omfattande egenskaper. Genom att reagera maleinsyraanhydrid och polyol för att bilda karboxylesterpolyol, och sedan reagera med andra monomerer såsom TDI-80, tvärbindningsmedel och kedjeförlängare, framställdes den karboxylhaltiga PU-prepolymeren, som dispergerades i tre i vattenlösningen av etanolamin , gjordes vattenbaserat PU och inverkan av typen och mängden kedjeförlängare på hartsets egenskaper studerades. Att använda bisfenol A som kedjeförlängare kan inte bara förbättra de mekaniska egenskaperna hos hartset, utan också öka glasövergångstemperaturen för hartset, bredda bredden på den inre friktionstoppen och förbättra hartsets temperaturområde i lädertillstånd [ 12]. Strukturen hos diaminkedjeförlängaren som används i PU-urea påverkar direkt vätebindningen, kristalliseringen och mikrofasstrukturseparationen i materialet och bestämmer till stor del materialets prestanda [13]. Med ökningen av innehållet i hårda segment ökade PU-materialets draghållfasthet och hårdhet gradvis, och töjningen vid brott minskade. Detta beror på att det finns mikrofasseparation mellan fasen med en viss grad av kristallinitet som bildas av det hårda segmentet och den amorfa fasen som bildas av det mjuka segmentet, och det kristallina området av det hårda segmentet fungerar som en effektiv tvärbindningspunkt. Den spelar också en roll som liknar fyllmedelsförstärkning för det amorfa området av det mjuka segmentet. När innehållet ökar förstärks förstärkningseffekten och den effektiva tvärbindningseffekten av det hårda segmentet i det mjuka segmentet, vilket främjar ökningen av materialstyrkan.
(6) Inverkan av tvärbindning på egenskaperna hos PU-elastomerer
Måttlig intramolekylär tvärbindning kan öka hårdheten, mjukningstemperaturen och elasticitetsmodulen hos PU-material och minska brottöjning, permanent deformation och svällning i lösningsmedel. För PU-elastomerer kan korrekt tvärbindning ge material med utmärkt mekanisk styrka, hög hårdhet, elasticitet och utmärkt slitstyrka, oljebeständighet, ozonbeständighet och värmebeständighet. Men om tvärbindningen är överdriven kan egenskaperna såsom draghållfasthet och töjning reduceras. I block-PU-elastomerer kan kemisk tvärbindning delas in i två kategorier: (1) användning av trifunktionella kedjeförlängare (såsom TMP) för att bilda en tvärbindande struktur; (2) användning av överskott av isocyanat för att reagera för att bilda dikondensat Urea (via ureagrupper) eller allofanat (via uretangrupper) tvärbindning. Tvärbindning har en betydande effekt på graden av vätebindning, och bildandet av tvärbindningar minskar kraftigt graden av vätebindning av materialet, men kemisk tvärbindning har bättre termisk stabilitet än fysisk tvärbindning orsakad av vätebindning. När effekterna av kemiskt tvärbindningsnätverk på morfologin, mekaniska egenskaper och termiska egenskaper hos PU-urea-elastomerer studerades med hjälp av FT-IR och DSC, fann man att PU-urea-elastomerer med olika tvärbindningsnätverk hade olika morfologi. När densiteten ökar, ökar graden av mikrofasblandning av elastomeren, glasövergångstemperaturen för det mjuka segmentet ökar avsevärt och elastomerens 300% draghållfasthet ökar gradvis, medan brottöjningen minskar gradvis. När , de mekaniska egenskaperna (draghållfasthet och rivhållfasthet) hos elasten når som högst.