Facteurs de base affectant les performances de la structure en polyuréthane

1. Effet du poids moléculaire

Les performances de la plupart des polymères s'améliorent avec l'augmentation du poids moléculaire. Les propriétés telles que la résistance à la traction, l’allongement, la dureté et la température de transition vitreuse ont toutes tendance à augmenter à mesure que le poids moléculaire augmente. À l’inverse, la solubilité diminue à mesure que le poids moléculaire augmente. Cette relation devient moins prononcée une fois que le poids moléculaire atteint un certain seuil.

Pour les polyuréthanes, le poids moléculaire du polymère est généralement suffisamment élevé. En particulier dans les mousses de polyuréthane, la structure moléculaire est principalement réticulée, contrairement à la structure linéaire des fibres de polyuréthane typiques. Par conséquent, le poids moléculaire n’est pas le principal facteur affectant les performances des mousses de polyuréthane.

2. Effet des forces intermoléculaires

Les forces intermoléculaires dans les grosses molécules résultent généralement d'interactions entre dipôles moléculaires. La force de ces forces dépend des liaisons hydrogène, de la polarisabilité et des moments dipolaires au sein des molécules.

Ces forces intermoléculaires, appelées forces secondaires ou forces de Van der Waals, sont différentes des forces primaires (liaisons covalentes) qui impliquent une liaison chimique. Les forces secondaires sont généralement beaucoup plus faibles que les forces primaires et sont davantage affectées par la température et les contraintes. Par exemple, l'énergie de liaison d'une liaison C-C dans une chaîne macromoléculaire est de 347,4 kJ/mol, tandis qu'une liaison C-H est de 414,4 kJ/mol. Les forces secondaires sont généralement plus faibles ; la force électrostatique la plus forte, la liaison hydrogène, varie de 20,9 à 41,8 kJ/mol, tandis que la force électrostatique des molécules polaires varie de 8,4 à 20,9 kJ/mol et la force d'induction des molécules non polaires varie de 6,3 à 12,6 kJ/mol. . Les forces de dispersion sont encore plus faibles, généralement comprises entre 0,8 et 8,3 kJ/mol.

Malgré leur taille relativement petite, les forces secondaires jouent un rôle important dans les polymères en raison de leur poids moléculaire élevé. Si la force secondaire générée par chaque unité structurelle d’une chaîne polymère est égale à celle d’un seul monomère, la force secondaire totale d’une grosse molécule de polymère composée de centaines d’unités structurelles sera proche de la force primaire.

Des facteurs tels que la répulsion des charges moléculaires, les chaînes ou groupes latéraux volumineux, l'alignement géométrique des groupes attractifs, la densité de réticulation moyenne à élevée et les plastifiants ajoutés peuvent influencer les forces intermoléculaires dans les polymères. Les forces secondaires sont également fortement affectées par la température.

Les forces intermoléculaires peuvent grandement influencer les propriétés physiques et chimiques des polyuréthanes, telles que la résistance, l'élasticité et la réactivité chimique.

3. Rigidité des unités de chaîne

Les unités de chaîne rigides dans les polymères, telles que les cycles benzéniques et autres hétérocycles aromatiques, conduisent à des chaînes polymères plus rigides. L'introduction de ces unités de chaîne rigides augmente la température de transition vitreuse, la dureté et la résistance du polymère tout en diminuant l'élasticité et la solubilité. À l’inverse, l’introduction d’unités de chaîne flexibles abaisse la température de transition vitreuse et augmente la douceur, l’élasticité et la flexibilité. Les unités de chaîne flexibles typiques comprennent les liaisons éther (~~~~O~~~~) et les liaisons thioéther (~~~~S~~~~), suivies par les liaisons hydrocarbures aliphatiques (~~~~CH2-CH2-CH2-CH2 ~~~~). Les mousses de polyuréthane sont généralement composées de diverses unités de chaînes flexibles et rigides, formant des produits en plastique souple ou dur selon les besoins.

4. Cristallinité

La cristallinité d'un polymère dépend en grande partie de sa linéarité, de l'étanchéité et de l'efficacité de la garniture des unités de chaîne, de l'ampleur des forces intermoléculaires et de la rigidité des unités de chaîne. Une linéarité plus élevée, une disposition plus régulière et un alignement géométrique efficace entre les unités de chaîne augmentent la cristallinité. Des forces intermoléculaires plus importantes et une rigidité plus élevée des unités de chaîne favorisent également la cristallisation. Une cristallinité accrue améliore la résistance, la dureté et le point de fusion du polymère, mais réduit la douceur, l'élasticité, l'allongement et la solubilité. Étant donné que les forces de liaison entre les molécules dans les régions cristallines diffèrent de la liaison chimique dans les polymères véritablement réticulés, les régions cristallines se désintègrent souvent temporairement lors du chauffage et de la fusion. Ainsi, dans la fabrication de mousse de polyuréthane, la réticulation chimique est généralement préférée à l'augmentation de la cristallinité.

5. Degré de réticulation

Les polymères sont généralement classés en types linéaires, ramifiés et réticulés. Les structures linéaires des polyuréthanes résultent de la condensation de deux ou plusieurs réactifs difonctionnels. Les structures ramifiées ont des chaînes latérales attachées à la chaîne principale. Les deux types sont des polymères thermoplastiques solubles et fusibles. Les polymères réticulés, formés de deux ou plusieurs réactifs polyfonctionnels, créent une structure en réseau. Le degré de réticulation peut être mesuré par le nombre de molécules réticulées par unité de volume ou par le poids moléculaire entre les points de réticulation (MC). Par exemple, si 0,25 mole d'un réactif trifonctionnel est ajoutée à 1 000 g d'un réactif difonctionnel dans des conditions réactives équimolaires, le poids moléculaire relatif entre les points de réticulation (MC) serait de 1 000/0,25 = 4 000.

La plupart des mousses de polyuréthane sont des polymères réticulés. Comme pour les autres polymères, le degré de réticulation est un facteur crucial déterminant les performances. Une réticulation élevée dans les polymères amorphes augmente la dureté, la température de ramollissement et le module élastique tout en réduisant l'allongement et le gonflement du solvant. Pour les polymères hautement cristallins, une légère réticulation diminue la cristallinité et l’orientation de la chaîne moléculaire, transformant les polymères cristallins durs à point de fusion élevé en polymères amorphes plus élastiques et mous. Une réticulation encore croissante donne des effets similaires à ceux des polymères amorphes.

Généralement, les mousses de polyuréthane hautement réticulées (à faible MC) sont dures, tandis que les mousses de polyuréthane moins réticulées (à faible MC) sont pour la plupart souples et élastiques.

De ces principes généraux, il ressort que les principaux facteurs structurels moléculaires affectant les performances des mousses de polyuréthane sont les forces intermoléculaires, la rigidité des unités de chaîne et le degré de réticulation.