Impact du degré de réticulation sur les principales propriétés du polyuréthane

Dans le polyuréthane, outre l’influence de la composition des segments de chaîne au sein de la molécule, le degré de réticulation est un facteur structurel principal affectant ses principales propriétés. Le degré de réticulation a un impact direct sur les performances des produits en mousse et est lié au poids moléculaire et à la fonctionnalité des polyols et polyisocyanates utilisés, les polyols étant particulièrement importants. La variété, la sélection et la quantité utilisée de polyols permettent de contrôler la densité de réticulation du produit en ajustant le poids moléculaire et la fonctionnalité des matières premières, produisant ainsi des produits en mousse aux propriétés variables, allant de souples à rigides.

Des preuves empiriques montrent que les polyols utilisés dans la mousse souple ont généralement une fonctionnalité de 2 à 4, avec un rapport poids moléculaire/fonctionnalité (M/f, anciennement appelé équivalent) d'environ 1 000. Certains produits exceptionnellement doux peuvent atteindre un M/f de 1 000 à 1 500. Pour les mousses rigides, la fonctionnalité des polyéther polyols varie de 3 à 8, avec un M/f compris entre 100 et 150. Les mousses semi-rigides utilisent des polyols de polyéther avec des valeurs M/f et de fonctionnalité comprises entre ces plages ou un mélange de deux polyols.

Dans les produits souples, différentes densités de réticulation ont également un impact sur les performances de la mousse. Les chercheurs ont étudié des mousses souples fabriquées à partir de divers ratios de polyéther polyols difonctionnels et trifonctionnels avec 80/20 TDI pour observer l'effet de différentes densités de réticulation et densités de cycles aromatiques, d'uréthane et de groupes urée sur les performances de la mousse.

Les produits en mousse fabriqués à partir de polyéthers avec différents rapports de groupes difonctionnels et tétrafonctionnels présentent des tendances similaires. Lorsque la densité de réticulation est faible (valeur MC élevée) et que la densité des cycles aromatiques, des groupes uréthane et urée diminue, la mousse est plus douce, avec une résistance à la traction et une charge de compression inférieures, mais un allongement plus élevé et une meilleure flexibilité à basse température. À des densités de réticulation similaires (valeurs MC de 3 375 et 3 385), si la teneur en cycles aromatiques, en uréthane et en groupes urée augmente, les produits deviennent plus durs avec un module mécanique accru à haute température. En comparant deux mousses avec des densités de réticulation différentes mais des densités similaires de cycles aromatiques et de groupes uréthane/urée, la mousse avec une densité de réticulation plus faible (valeur MC plus élevée) a une meilleure flexibilité à basse température, tandis que la mousse avec une densité de réticulation plus élevée a une rigidité en torsion accrue.

En utilisant différents rapports de polyéther trifonctionnel et tétrafonctionnel et de diisocyanate de toluène dans un processus de moussage en une étape, la relation entre la densité de réticulation (valeur MC) et le module de traction, l'allongement et le gonflement dans le diméthylacétamide peut être observée sur la figure 1. . Avec une densité de réticulation plus élevée (valeur MC inférieure), la mousse est plus dure avec une résistance à la traction plus élevée mais des taux d'allongement et de gonflement plus faibles. À mesure que la valeur MC augmente, les taux d’allongement et de gonflement augmentent, tandis que la résistance à la traction diminue.

  Figure 1 : Relation entre la valeur M (calculée) et les propriétés de la mousse de polyuréthane polyéther

Pour produits en mousse souple d'une densité de 35,2 à 40,0 kg/m³, l'effet de la densité de réticulation sur la résistance à la compression (charge de compression) est illustré à la figure 2. La valeur MC et l'inverse de la résistance à la compression ont une relation linéaire, avec des écarts principalement dus aux différences de cycles aromatiques et de teneur en uréthane dans la mousse. Cette relation est également observée dans les produits en mousse haute densité.

Figure 2 : Relation entre la valeur MC et l'inverse de la résistance à la compression

La déformation rémanente à la compression est un indicateur important de la récupération de l'élasticité de la mousse, mesurée en comprimant la mousse à la moitié de sa hauteur d'origine, en la traitant à 70°C pendant 22 heures et mesure de la récupération en hauteur à température ambiante après 30 minutes. Le pourcentage de changement de hauteur est la valeur de compression définie ; plus la valeur est élevée, plus les performances sont mauvaises. La densité de liaison croisée affecte de manière significative la valeur de compression définie, avec des valeurs plus faibles lorsque la valeur MC est inférieure à 1 200.

Les mousses à haute résilience avec agents de réticulation diffèrent structurellement des mousses souples en polyuréthane générales, ce qui conduit à des propriétés différentes. L'introduction d'agents de réticulation comme la diéthanolamine forme de nouveaux points de réticulation, améliorant considérablement le taux de rebond par rapport aux mousses sans ces agents.

La relation entre la densité de réticulation et les propriétés de la mousse rigide suit des tendances similaires. Une densité de réticulation accrue améliore la résistance à la compression, la résistance à la température, la stabilité dimensionnelle et la perméabilité à la vapeur d'eau, mais réduit la résistance à la traction et l'allongement. Une densité de réticulation excessive ou des valeurs M/f très faibles rendent le produit cassant, et des réactions exothermiques élevées au cours du processus de moussage en une étape compliquent le traitement et augmentent les coûts, car les polyols sont généralement moins chers que les isocyanates. Ainsi, la densité de réticulation n'est généralement pas excessivement élevée, les polyols ayant des valeurs M/f comprises entre 75 et 150.

La température a un impact significatif sur la morphologie du polymère, chaque polymère ayant sa courbe caractéristique. La figure 3 montre la courbe module-température d'un polymère typique. En dessous du point A', le polymère est dans un état vitreux, A' étant la température de transition vitreuse. Au-dessus de A', les chaînes moléculaires commencent à tourner, le module chute rapidement et le matériau entre dans un état caoutchouteux. Un chauffage supplémentaire jusqu'au point C provoque une chute soudaine du module, indiquant un état fluide, où les chaînes de polymères réticulés commencent à se briser.

Figure 3 : Relation entre le module et la température pour un polymère typique

Pour une mousse polyuréthane rigide idéale, la température de transition vitreuse doit être supérieure à la température ambiante. Les élastomères et les mousses souples ont des températures de transition vitreuse inférieures à la température ambiante. Pour obtenir une bonne résistance chimique, un module élevé et une résistance à la température dans les mousses rigides, des composants à haute fonctionnalité et à haute teneur en aromatiques sont nécessaires, bien que cela réduise la résistance à basse température et l'allongement. Les mousses souples nécessitant de bonnes performances à haute température doivent utiliser de l'alcool trihydrique et de l'isocyanate pour former de fortes réticulations chimiques.

En conclusion, comprendre comment divers facteurs structurels du polyuréthane affectent les performances permet de prédire et de concevoir des produits en mousse présentant les propriétés souhaitées, allant des mousses souples aux mousses rigides.