Influence de divers groupes du polyuréthane sur les propriétés de la mousse

Des études antérieures ont indiqué que le polyuréthane est un polymère composé de divers groupes fonctionnels. L'effet de ces groupes sur les forces intermoléculaires au sein du polymère peut s'exprimer à travers l'énergie de cohésion de différents groupes dans de petites molécules. Des valeurs plus élevées correspondent à des forces attractives plus fortes.

Comme le montre le tableau 1, l'énergie de cohésion des hydrocarbures aliphatiques et des groupes éther est la plus faible, tandis que celle des groupes uréthane et amide est plus élevée. Bien que les groupes urée ne soient pas répertoriés dans le tableau, leur énergie de cohésion dépasse celle des groupes uréthane. Par exemple, l'énergie de cohésion de différents groupes dans les fibres synthétiques peut être déduite des points de fusion des fibres (Figure 2). Généralement, une énergie de cohésion plus élevée est en corrélation avec des points de fusion plus élevés et une plus grande cristallinité. Les données de la figure 2 montrent que les fibres groupées ont les points de fusion les plus élevés, ce qui indique que les groupes urée ont une énergie de cohésion intramoléculaire plus élevée que les groupes uréthane et amide.

Tableau 1 : Énergie de cohésion de divers groupes organiques

L’énergie de cohésion importante de ces groupes est principalement due à l’effet des liaisons hydrogène.

À partir des systèmes de fibres de polyuréthane, de polyamide et de polyurée de la figure 2, il est évident que les points de fusion diminuent avec la réduction de la teneur en groupes hautement polaires. Cependant, les polyesters sont différents ; la teneur en groupe ester a un impact mineur sur le point de fusion. Cette caractéristique est principalement due à la présence de liaisons C-O-C dans les groupes ester, qui sont relativement flexibles, contrecarrant l'énergie de cohésion modérée des groupes ester. Par conséquent, le polyuréthane a un point de fusion plus bas que le polyamide dans des structures équivalentes en raison de la flexibilité des liaisons C-O-C.

Figure 2 : Tendances des points de fusion de divers polymères

Bien que la concentration en groupes esters ait un impact relativement mineur sur le point de fusion des polyesters, des résultats différents sont observés dans le polyuréthane ou la polyurée de type polyester. Dans ces polymères mixtes, la présence de groupes donneurs d'hydrogène puissants conduit à des liaisons hydrogène plus étendues que dans le polyester pur. L'augmentation de la concentration de groupes ester dans le polyuréthane de type polyester améliore la résistance du polymère.

La flexibilité de la liaison C-O-C est également évidente dans le point de fusion de l'oxyde de polyéthylène (polyéthylène glycol). Bien que son énergie de cohésion (1,00) soit supérieure à celle du méthylène (0,68), le point de fusion du polyéther n'est que de 55-70°C, alors que le polyéthylène peut atteindre 110°C ou supérieur. Cette différence de flexibilité de la chaîne est principalement due à la barrière rotationnelle plus faible de la liaison C-O-C par rapport à la liaison C-C. Par exemple, l’énergie de rotation de la liaison C-C dans l’éthane est de 12,6 kJ/mol, principalement en raison de la répulsion entre les atomes d’hydrogène des groupes méthyles adjacents. Lorsque ces groupes méthyle sont séparés par une liaison éther oxygène, la distance entre les atomes d’hydrogène augmente, facilitant ainsi la rotation de la chaîne.

Tableau 3 : Impact de divers groupes d'éther sur les points de fusion

La présence de cycles aromatiques, contrairement aux groupes éther, affecte de manière significative la rigidité des chaînes polymères, ce qui entraîne des points de fusion plus élevés, une dureté et une stabilité dimensionnelle accrues.

Bien que les données ci-dessus proviennent de polyuréthanes linéaires non expansés, des tendances similaires sont observées pour les matériaux en mousse. Par exemple, les mousses de polyuréthane rigides fabriquées à partir de polyols de polyéther aromatiques ou de polyisocyanates aromatiques présentent généralement une résistance à la température et une stabilité dimensionnelle plus élevées. De plus, les températures de ramollissement des mousses de polyuréthane fabriquées à partir de polyéthers trifonctionnels initiés par le triméthylolpropane (type aliphatique-3), de polyéthers hexafonctionnels initiés par le sorbitol (type aliphatique-6) et de polyéthers trifonctionnels contenant des cycles benzéniques (type aromatique-3) avec IDI et MDI différer. Pour les polyéthers ayant le même équivalent hydroxyle et la même fonctionnalité, les mousses à base de polyéthers aromatiques ont des points de ramollissement plus élevés que celles à base de polyéthers aliphatiques. De plus, les mousses fabriquées à partir de MDI ont des températures de ramollissement plus élevées que celles fabriquées à partir de TDI, principalement en raison de la densité plus élevée de cycles benzéniques dans les mousses fabriquées à partir de MDI.

Les mousses fabriquées à partir de polyéthers hétérocycliques tels que le polyéther polyol de méthylglucoside-oxirane présentent des points de ramollissement significativement plus élevés que celles fabriquées à partir de la même fonctionnalité tétrol, telles que le polyéther polyol de pentaérythritol, sous le même indice d'isocyanate. Cela indique également que la rigidité des groupes hétérocycliques est bien supérieure à celle des groupes hydrocarbonés aliphatiques.