تأثير درجة الارتباط المتقاطع على الخصائص الرئيسية للبولي يوريثان

في مادة البولي يوريثين، بصرف النظر عن تأثير تكوين قطعة السلسلة داخل الجزيء، فإن درجة الارتباط المتقاطع هي عامل هيكلي أساسي يؤثر على خصائصه الرئيسية. يؤثر مدى الارتباط المتقاطع بشكل مباشر على أداء منتجات الرغوة ويرتبط بالوزن الجزيئي ووظيفة البوليولات والبولي إيزوسيانات المستخدمة، مع كون البوليولات ذات أهمية خاصة. يسمح تنوع البوليولات واختيارها واستخدامها بالتحكم في كثافة الارتباط المتقاطع للمنتج عن طريق ضبط الوزن الجزيئي ووظيفة المواد الخام، وبالتالي إنتاج منتجات رغوية بخصائص مختلفة من الناعمة إلى الصلبة.

تظهر الأدلة التجريبية أن البوليولات المستخدمة في الرغوة الناعمة عادةً ما تكون لها وظيفة تتراوح من 2 إلى 4، مع نسبة الوزن الجزيئي إلى الوظيفة (M/f، التي كانت تسمى سابقًا المكافئ) تبلغ حوالي 1000. يمكن لبعض المنتجات اللينة بشكل استثنائي أن تصل إلى M/f يتراوح بين 1000 و1500. بالنسبة للرغاوي الصلبة، تتراوح وظيفة بوليولات البولي إيثر من 3-8، مع M/f بين 100-150. تستخدم الرغاوي شبه الصلبة بوليولات بولي إيثر مع M/f وقيم وظيفية بين هذه النطاقات أو خليط من اثنين من البوليولات.

في المنتجات الناعمة، تؤثر أيضًا كثافات الارتباط المتقاطعة المختلفة على أداء الرغوة. قام الباحثون بدراسة الرغاوي الناعمة المصنوعة من نسب مختلفة من بولي إيثر بوليول ثنائي الوظيفة وثلاثي الوظائف مع 80/20 TDI لمراقبة تأثير كثافات الارتباط المتقاطع المختلفة وكثافات الحلقات العطرية ومجموعات اليوريثان واليوريا على أداء الرغوة.

تُظهر منتجات الرغوة المصنوعة من البولي إيثرات بنسب مختلفة من المجموعات ثنائية الوظيفة ورباعية الوظائف اتجاهات مماثلة. عندما تكون كثافة الوصلة المتقاطعة منخفضة (قيمة MC عالية) وتنخفض كثافة الحلقات العطرية واليوريتان ومجموعات اليوريا، تكون الرغوة أكثر ليونة، مع قوة شد وحمل ضغط أقل، ولكن استطالة أعلى ومرونة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة. عند كثافات متقاطعة مماثلة (قيم MC 3375 و3385)، إذا زاد محتوى الحلقات العطرية واليوريتان ومجموعات اليوريا، تصبح المنتجات أكثر صلابة مع زيادة المعامل الميكانيكي عند درجات حرارة عالية. وبمقارنة رغوتين لهما كثافات متقاطعة مختلفة ولكن كثافات متشابهة للحلقات العطرية ومجموعات اليوريثان/اليوريا، فإن الرغاوي ذات كثافة الوصلة المتقاطعة المنخفضة (قيمة MC الأعلى) تتمتع بمرونة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة، في حين أن الرغاوي ذات كثافة الوصلة المتقاطعة الأعلى تتمتع بمرونة أفضل في درجات الحرارة المنخفضة لقد زاد من الصلابة الالتوائية.

باستخدام نسب مختلفة من البولي إيثر ثلاثي الوظائف ورباعي الوظائف وثنائي إيزوسيانات التولوين في عملية رغوة من خطوة واحدة، يمكن ملاحظة العلاقة بين كثافة الوصلة المتقاطعة (قيمة MC) ومعامل الشد والاستطالة والتورم في ثنائي ميثيل أسيتاميد في الشكل 1. . مع ارتفاع كثافة الوصلة المتقاطعة (قيمة MC أقل)، تكون الرغوة أكثر صلابة مع قوة شد أعلى ولكن معدلات استطالة وتورم أقل. ومع زيادة قيمة MC، ترتفع معدلات الاستطالة والانتفاخ، بينما تقل قوة الشد.

  الشكل 1: العلاقة بين قيمة M (المحسوبة) وخصائص رغوة البولي يوريثان البولي إيثر

لمنتجات الرغوة الناعمة بكثافة 35.2-40.0 كجم/م³، يظهر تأثير كثافة الارتباط المتقاطع على قوة الضغط (حمل الضغط) في الشكل 2. إن قيمة MC ومقلوب قوة الضغط لهما علاقة خطية، مع انحرافات ترجع بشكل رئيسي إلى الاختلافات في الحلقات العطرية ومحتوى اليوريثان في الرغوة. وتلاحظ هذه العلاقة أيضًا في منتجات الرغوة عالية الكثافة.

الشكل 2: العلاقة بين قيمة MC ومقلوب قوة الضغط

تعتبر مجموعة الضغط مؤشرًا مهمًا لاستعادة مرونة الرغوة، ويتم قياسها عن طريق ضغط الرغوة إلى نصف ارتفاعها الأصلي، ومعالجتها عند 70°C لمدة 22 ساعة، وقياس الارتفاع في درجة حرارة الغرفة بعد 30 دقيقة. النسبة المئوية للتغير في الارتفاع هي قيمة مجموعة الضغط؛ كلما ارتفعت القيمة، كان الأداء أضعف. تؤثر كثافة الارتباط المتقاطع بشكل كبير على قيمة مجموعة الضغط، وتكون القيم أقل عندما تكون قيمة MC أقل من 1200.

تختلف الرغاوي عالية المرونة مع عوامل الارتباط المتقاطع هيكلياً عن الرغاوي الناعمة المصنوعة من مادة البولي يوريثان العامة، مما يؤدي إلى خصائص مختلفة. يؤدي إدخال عوامل الربط المتقاطع مثل ثنائي إيثانولامين إلى تشكيل نقاط ربط متقاطعة جديدة، مما يؤدي إلى تحسين معدل الارتداد بشكل ملحوظ مقارنة بالرغاوي التي لا تحتوي على مثل هذه العوامل.

العلاقة بين كثافة الوصلة المتقاطعة وخصائص الرغوة الصلبة تتبع اتجاهات مماثلة. تعمل زيادة كثافة الوصلة المتقاطعة على تعزيز قوة الضغط ومقاومة درجة الحرارة واستقرار الأبعاد ونفاذية بخار الماء ولكنها تقلل من قوة الشد والاستطالة. إن كثافة الوصلات المتقاطعة المفرطة أو قيم M/f المنخفضة جدًا تجعل المنتج هشًا، كما أن التفاعلات الطاردة للحرارة العالية أثناء عملية الرغوة ذات الخطوة الواحدة تؤدي إلى تعقيد عملية المعالجة وزيادة التكاليف، نظرًا لأن البوليولات أرخص بشكل عام من الأيزوسيانات. وبالتالي، عادة لا تكون كثافة الوصلات المتقاطعة عالية بشكل مفرط، حيث تتراوح قيم M/f للبوليولات بين 75 و150.

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على مورفولوجيا البوليمر، حيث يكون لكل بوليمر منحنى مميز. ويبين الشكل 3 منحنى معامل درجة الحرارة للبوليمر النموذجي. تحت النقطة A'، يكون البوليمر في حالة زجاجية، حيث تمثل A' درجة حرارة التزجج. فوق A'، تبدأ السلاسل الجزيئية في الدوران، وينخفض ​​المعامل بسرعة، وتدخل المادة في حالة مطاطية. يؤدي المزيد من التسخين إلى النقطة C إلى انخفاض مفاجئ في المعامل، مما يشير إلى حالة سائلة، حيث تبدأ سلاسل البوليمر المترابطة في الانكسار.

الشكل 3: العلاقة بين المعامل ودرجة الحرارة للبوليمر النموذجي

للحصول على رغوة بولي يوريثان صلبة مثالية، يجب أن تكون درجة حرارة التزجج أعلى من درجة حرارة الغرفة. تتمتع اللدائن المرنة والرغاوي الناعمة بدرجات حرارة تزجج أقل من درجة حرارة الغرفة. لتحقيق مقاومة كيميائية جيدة، ومعامل مرتفع، ومقاومة لدرجة الحرارة في الرغاوي الصلبة، تعد المكونات ذات الأداء الوظيفي العالي والمحتوى العطري العالي ضرورية، على الرغم من أن هذا يقلل من مقاومة درجات الحرارة المنخفضة والاستطالة. يجب أن تستخدم الرغاوي الناعمة التي تتطلب أداءً جيدًا في درجات الحرارة العالية الكحول ثلاثي الهيدريك والإيزوسيانات لتكوين روابط كيميائية متقاطعة قوية.

في الختام، فإن فهم كيفية تأثير العوامل الهيكلية المختلفة في البولي يوريثان على الأداء يسمح بالتنبؤ وتصميم منتجات الرغوة ذات الخصائص المرغوبة، بدءًا من الرغاوي الناعمة إلى الرغاوي الصلبة.