العوامل الأساسية المؤثرة على أداء هيكل البولي يوريثان

1. تأثير الوزن الجزيئي

يتحسن أداء معظم البوليمرات مع زيادة الوزن الجزيئي. تميل خصائص مثل قوة الشد، والاستطالة، والصلابة، ودرجة حرارة التزجج، إلى الارتفاع مع زيادة الوزن الجزيئي. وعلى العكس من ذلك، تقل الذوبانية مع زيادة الوزن الجزيئي. تصبح هذه العلاقة أقل وضوحًا عندما يصل الوزن الجزيئي إلى عتبة معينة.

بالنسبة للبولي يوريثان، يكون الوزن الجزيئي للبوليمر مرتفعًا بدرجة كافية بشكل عام. خاصة في رغاوي البولي يوريثان، يكون التركيب الجزيئي في الغالب مرتبطًا بشكل متقاطع، على عكس البنية الخطية لألياف البولي يوريثان النموذجية. لذلك، الوزن الجزيئي ليس هو العامل الأساسي الذي يؤثر على أداء رغاوي البولي يوريثان.

2. تأثير القوى الجزيئية

تنشأ القوى بين الجزيئات في الجزيئات الكبيرة عادة من التفاعلات بين ثنائيات القطب الجزيئي. تعتمد قوة هذه القوى على الروابط الهيدروجينية، وقابلية الاستقطاب، والعزم ثنائي القطب داخل الجزيئات.

هذه القوى بين الجزيئية، والمعروفة باسم القوى الثانوية أو قوى فان دير فالس، تختلف عن القوى الأولية (الروابط التساهمية) التي تنطوي على الروابط الكيميائية. تكون القوى الثانوية بشكل عام أضعف بكثير من القوى الأولية وتتأثر أكثر بدرجة الحرارة والإجهاد. على سبيل المثال، طاقة الرابطة لرابطة CC في سلسلة جزيئية كبيرة هي 347.4 كيلوجول/مول، في حين أن الرابطة CH هي 414.4 كيلوجول/مول. القوى الثانوية عادة ما تكون أضعف. أقوى قوة إلكتروستاتيكية هي الرابطة الهيدروجينية، وتتراوح من 20.9 إلى 41.8 كيلوجول/مول، بينما القوة الكهروستاتيكية للجزيئات القطبية تتراوح من 8.4 إلى 20.9 كيلوجول/مول، وقوة الحث للجزيئات غير القطبية تتراوح من 6.3 إلى 12.6 كيلوجول/مول. . وتكون قوى التشتت أضعف، وتتراوح عادة بين 0.8 و8.3 كيلوجول/مول.

على الرغم من صغر حجمها نسبيًا، تلعب القوى الثانوية دورًا مهمًا في البوليمرات نظرًا لوزنها الجزيئي الكبير. إذا كانت القوة الثانوية المولدة من كل وحدة هيكلية لسلسلة بوليمر تساوي قوة مونومر واحد، فإن القوة الثانوية الإجمالية لجزيء بوليمر كبير يتكون من مئات الوحدات الهيكلية ستكون قريبة من القوة الأولية.

يمكن لعوامل مثل تنافر الشحنة الجزيئية، والسلاسل أو المجموعات الجانبية الضخمة، والمحاذاة الهندسية للمجموعات الجذابة، وكثافة الوصلات المتقاطعة المتوسطة إلى العالية، والملدنات المضافة أن تؤثر على القوى الجزيئية في البوليمرات. تتأثر القوى الثانوية أيضًا بشكل كبير بدرجة الحرارة.

يمكن للقوى الجزيئية أن تؤثر بشكل كبير على الخواص الفيزيائية والكيميائية للبولي يوريثان، مثل القوة والمرونة والتفاعل الكيميائي.

3. صلابة وحدات السلسلة

تؤدي وحدات السلسلة الصلبة في البوليمرات، مثل حلقات البنزين وغيرها من الحلقات العطرية غير المتجانسة، إلى سلاسل بوليمر أكثر صلابة. يؤدي تقديم وحدات السلسلة الصلبة هذه إلى زيادة درجة حرارة انتقال البوليمر وصلابته وقوته مع تقليل المرونة والذوبان. وعلى العكس من ذلك، فإن إدخال وحدات السلسلة المرنة يقلل من درجة حرارة التزجج ويزيد من النعومة والمرونة والمرونة. تشتمل وحدات السلسلة المرنة النموذجية على روابط الأثير (~~~~O~~~~) وروابط الثيويثر (~~~~S~~~~)، تليها روابط الهيدروكربونات الأليفاتية (~~~~CH2-CH2-CH2-CH2 ~~~~). تتكون رغاوي البولي يوريثان عادة من وحدات سلسلة مرنة وصلبة مختلفة، وتشكل منتجات بلاستيكية ناعمة أو صلبة حسب الحاجة.

4. التبلور

تعتمد تبلور البوليمر إلى حد كبير على خطيته، وضيق وفعالية تعبئة وحدة السلسلة، وحجم القوى بين الجزيئات، وصلابة وحدات السلسلة. الخطية الأعلى، والترتيب الأكثر انتظامًا، والمحاذاة الهندسية الفعالة بين وحدات السلسلة تزيد من التبلور. تعمل أيضًا القوى الجزيئية الأكبر وصلابة وحدة السلسلة الأعلى على تعزيز التبلور. تعمل زيادة التبلور على تعزيز قوة البوليمر وصلابته ونقطة الانصهار ولكنها تقلل من النعومة والمرونة والاستطالة والذوبان. نظرًا لأن قوى الارتباط بين الجزيئات في المناطق البلورية تختلف عن الترابط الكيميائي في البوليمرات المترابطة فعليًا، فإن المناطق البلورية غالبًا ما تتفكك مؤقتًا عند التسخين والذوبان. وبالتالي، في صناعة رغوة البولي يوريثان، يُفضل الربط الكيميائي بشكل عام على زيادة التبلور.

5. درجة الارتباط المتقاطع

يتم تصنيف البوليمرات عمومًا إلى أنواع خطية ومتفرعة ومترابطة. تنتج الهياكل الخطية في البولي يوريثان من تكثيف اثنين أو أكثر من المواد المتفاعلة ثنائية الوظيفة. الهياكل المتفرعة لها سلاسل جانبية متصلة بالسلسلة الرئيسية. كلا النوعين عبارة عن بوليمرات لدنة بالحرارة قابلة للذوبان وقابلة للذوبان. تعمل البوليمرات المتقاطعة، التي تتكون من اثنين أو أكثر من المواد المتفاعلة متعددة الوظائف، على إنشاء بنية شبكية. يمكن قياس درجة الارتباط المتقاطع من خلال عدد الجزيئات المترابطة لكل وحدة حجم أو الوزن الجزيئي بين نقاط الارتباط المتقاطع (MC). على سبيل المثال، إذا تمت إضافة 0.25 مول من مادة متفاعلة ثلاثية الوظائف إلى 1000 جرام من مادة متفاعلة ثنائية الوظيفة تحت ظروف تفاعل متساوية المولية، فإن الوزن الجزيئي النسبي بين نقاط الارتباط المتقاطع (MC) سيكون 1000/0.25 = 4000.

معظم رغاوي البولي يوريثان عبارة عن بوليمرات مترابطة. كما هو الحال مع البوليمرات الأخرى، تعد درجة الارتباط المتقاطع عاملاً حاسماً في تحديد الأداء. يؤدي الارتباط المتقاطع العالي في البوليمرات غير المتبلورة إلى زيادة الصلابة ودرجة حرارة التليين ومعامل المرونة مع تقليل الاستطالة وتورم المذيبات. بالنسبة للبوليمرات شديدة التبلور، يؤدي الارتباط المتقاطع الطفيف إلى تقليل التبلور واتجاه السلسلة الجزيئية، مما يحول البوليمرات البلورية الصلبة عالية الذوبان إلى بوليمرات غير متبلورة أكثر مرونة وناعمة. تؤدي زيادة الارتباط المتبادل إلى تأثيرات مماثلة لتلك الموجودة في البوليمرات غير المتبلورة.

بشكل عام، تكون رغاوي البولي يوريثان ذات الترابط العالي (منخفضة MC) صلبة، في حين أن رغاوي البولي يوريثان الأقل ترابطًا (منخفضة MC) تكون في الغالب ناعمة ومرنة.

من هذه المبادئ العامة، يمكن ملاحظة أن العوامل الهيكلية الجزيئية الأساسية التي تؤثر على أداء رغاوي البولي يوريثان هي القوى بين الجزيئات، وصلابة وحدات السلسلة، ودرجة الارتباط المتبادل.