Nhà sản xuất bột màu PU giới thiệu đến bạn cấu trúc và đặc tính của chất đàn hồi PU

Chất đàn hồi PU hay còn gọi là chất đàn hồi polyurethane là vật liệu tổng hợp polymer có chứa nhiều nhóm urethane trên chuỗi chính. Chất đàn hồi PU có nhiều tính chất, liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của nó và cấu trúc của nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chất phản ứng, thời gian phản ứng, nhiệt độ phản ứng và thậm chí những thay đổi nhỏ về hàm lượng nước cũng có thể gây ra sự khác biệt lớn về tính chất cơ học . Tiếp theo,Nhà sản xuất bột màu PUsẽ giới thiệu cấu trúc và tính năng của chất đàn hồi PU cho bạn.

Các tính chất cơ học của chất đàn hồi PU có liên quan trực tiếp đến cấu trúc bên trong của chất đàn hồi PU, đồng thời cấu trúc vi mô và hình thái của chúng bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi sự tương tác giữa các nhóm cực, chẳng hạn như loại, cấu trúc và hình thái của các phân đoạn mềm và cứng. Tính chất cơ học và khả năng chịu nhiệt của chất đàn hồi PU. Trong những năm gần đây, người ta đã bắt đầu nghiên cứu mối quan hệ giữa các tính chất cơ học của chất đàn hồi PU với các cấu trúc tổng hợp và vi cấu trúc của chúng.
(1) Cấu trúc phân tách microphase của chất đàn hồi PU
Hiệu suất của PU chủ yếu bị ảnh hưởng bởi cấu trúc hình thái của chuỗi phân tử. Tính linh hoạt độc đáo và tính chất vật lý tuyệt vời của PU có thể được giải thích bằng hình thái hai pha. Mức độ phân tách vi pha và cấu trúc hai pha của các phân đoạn mềm và cứng trong chất đàn hồi PU rất quan trọng đối với hiệu suất của chúng. Việc tách pha vừa phải có lợi cho việc cải thiện tính chất của polyme. Quá trình tách của quá trình tách microphase là sự khác biệt về độ phân cực giữa đoạn cứng và đoạn mềm và độ kết tinh của bản thân đoạn cứng dẫn đến tính không tương thích nhiệt động lực học (không thể trộn lẫn) và có xu hướng tách pha tự phát nên đoạn cứng dễ bị phân tách. Tổng hợp lại với nhau để tạo thành các miền, được phân tán trong pha liên tục được hình thành bởi các phân đoạn mềm. Quá trình tách microphase thực chất là quá trình tách và kết tụ hoặc kết tinh đoạn cứng trong chất đàn hồi từ hệ thống copolyme.
Hiện tượng tách vi pha PU lần đầu tiên được học giả người Mỹ Cooper đề xuất. Sau đó, rất nhiều công việc nghiên cứu đã được thực hiện về cấu trúc của polyurethane. Việc nghiên cứu cấu trúc cốt liệu PU cũng có bước tiến triển, hình thành nên vi pha tương đối hoàn chỉnh. Hệ thống lý thuyết cấu trúc: Trong hệ thống khối PU, sự phân tách vi pha giữa các phân đoạn cứng và mềm được tạo ra bởi sự không tương thích nhiệt động giữa các phân đoạn và phân đoạn mềm. Lực hấp dẫn của các đoạn giữa các đoạn cứng lớn hơn nhiều so với lực hấp dẫn của các đoạn giữa các đoạn mềm. Các đoạn cứng không hòa tan trong pha đoạn mềm mà phân bố trong đó tạo thành cấu trúc vi pha không liên tục (cấu trúc biển-đảo). Nó đóng vai trò liên kết và củng cố vật lý trong phân khúc mềm. Trong quá trình tách microphase, sự tương tác gia tăng giữa các phân đoạn cứng sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho việc tách các phân đoạn cứng khỏi hệ thống và tổng hợp hoặc kết tinh, thúc đẩy quá trình phân tách microphase. Tất nhiên, có sự tương thích nhất định giữa pha nhựa và pha cao su và các pha giữa miền vi mô nhựa và miền vi mô cao su được trộn lẫn để tạo thành pha chảy qua. Đồng thời, các mô hình khác liên quan đến phân tách vi pha cũng đã được đề xuất, chẳng hạn như vùng làm giàu phân đoạn cứng và phân đoạn mềm do Seymour et al đề xuất. Paik Sung và Schneide đã đề xuất một mô hình cấu trúc thực tế hơn của quá trình phân tách vi pha: mức độ phân tách vi pha trong urethane là không hoàn hảo, không hoàn toàn cùng tồn tại vi pha mà bao gồm các đơn vị phân đoạn mềm hỗn hợp. Có sự pha trộn giữa các phân đoạn trong miền vi mô, có mức độ ảnh hưởng nhất định đến hình thái và tính chất cơ học của vật liệu. Đoạn mềm chứa các đoạn cứng, có thể dẫn đến thay đổi nhiệt độ chuyển thủy tinh của đoạn mềm. Cải tiến rõ rệt, thu hẹp phạm vi vật liệu sử dụng trong môi trường nhiệt độ thấp. Việc đưa các phân đoạn mềm vào các miền phân đoạn cứng có thể làm giảm nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của các miền phân đoạn cứng, do đó làm giảm khả năng chịu nhiệt của vật liệu.
(2) Tính chất liên kết hydro của chất đàn hồi PU
Liên kết hydro tồn tại giữa các nhóm chứa nguyên tử nitơ và nguyên tử oxy có độ âm điện mạnh và các nhóm chứa nguyên tử hydro. Năng lượng gắn kết của các nhóm có liên quan đến kích thước năng lượng gắn kết của các nhóm. Liên kết hydro mạnh chủ yếu tồn tại giữa các phân đoạn. Theo báo cáo, hầu hết các nhóm imine trong các nhóm khác nhau trong đại phân tử PU có thể hình thành liên kết hydro và hầu hết chúng được hình thành bởi các nhóm imine và nhóm carbonyl trong phân đoạn cứng và một phần nhỏ được hình thành bằng oxy ether. ở phân khúc mềm. nhóm hoặc este carbonyl được hình thành. So với lực liên kết của liên kết hóa học nội phân tử, lực liên kết hydro nhỏ hơn nhiều. Tuy nhiên, sự tồn tại của một số lượng lớn liên kết hydro trong polyme phân cực cũng là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất. Liên kết hydro có thể thuận nghịch. Ở nhiệt độ thấp hơn, sự sắp xếp chặt chẽ của các phân đoạn sinh dục thúc đẩy sự hình thành liên kết hydro: ở nhiệt độ cao hơn, các phân đoạn nhận năng lượng và chuyển động nhiệt, khoảng cách giữa các phân đoạn và phân tử tăng lên, và liên kết hydro bị suy yếu hoặc thậm chí biến mất. Liên kết hydro đóng vai trò liên kết ngang vật lý, có thể làm cho thân PU có độ bền cao hơn, khả năng chống mài mòn, kháng dung môi và biến dạng vĩnh viễn khi kéo nhỏ hơn. Càng nhiều liên kết hydro thì lực liên phân tử càng mạnh và độ bền của vật liệu càng cao. Lượng liên kết hydro ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ phân biệt vi pha của hệ thống.
(3) Độ kết tinh
PU tuyến tính có cấu trúc đều đặn, nhiều nhóm phân cực và cứng hơn, nhiều liên kết hydro liên phân tử hơn và tính chất kết tinh tốt, một số tính chất của vật liệu PU đã được cải thiện như độ bền, khả năng kháng dung môi, v.v. Độ cứng, độ bền và điểm làm mềm của vật liệu PU tăng khi độ kết tinh tăng, trong khi độ giãn dài và độ hòa tan giảm tương ứng. Đối với một số ứng dụng, chẳng hạn như keo PU nhiệt dẻo một thành phần, cần có sự kết tinh nhanh để đạt được độ bám dính ban đầu. Một số chất đàn hồi PU nhiệt dẻo giải phóng nhanh hơn do độ kết tinh cao của chúng. Các polyme tinh thể thường trở nên mờ đục do tính dị hướng của ánh sáng khúc xạ. Nếu một lượng nhỏ các nhóm phân nhánh hoặc nhóm mặt dây chuyền được đưa vào đại phân tử PU tuyến tính kết tinh thì độ kết tinh của vật liệu sẽ giảm. Khi mật độ liên kết ngang tăng đến một mức nhất định, đoạn mềm sẽ mất đi độ kết tinh. Khi vật liệu bị kéo căng, ứng suất kéo làm cho chuỗi phân tử của đoạn mềm được định hướng và tính đều đặn được cải thiện, độ kết tinh của chất đàn hồi PU được cải thiện và độ bền của vật liệu cũng được cải thiện tương ứng. Độ phân cực của đoạn cứng càng mạnh thì càng có lợi cho việc cải thiện năng lượng mạng của vật liệu PU sau khi kết tinh. Đối với polyether PU, khi hàm lượng phân đoạn cứng tăng lên, các nhóm cực tăng lên, lực liên phân tử của phân đoạn cứng tăng lên, mức độ phân tách vi pha tăng lên, microdomain phân đoạn cứng dần hình thành tinh thể và độ kết tinh tăng theo phân đoạn cứng nội dung. Tăng dần sức mạnh của vật liệu.
(4) Ảnh hưởng của cấu trúc phân đoạn mềm đến hiệu suất của chất đàn hồi PU
Các polyol oligomeric như polyether và polyester tạo nên các phân đoạn mềm. Đoạn mềm chiếm phần lớn PU và các đặc tính của PU được điều chế từ các polyol oligome và diisocyanate khác nhau cũng khác nhau. Đoạn linh hoạt (mềm) của chất đàn hồi PU chủ yếu ảnh hưởng đến đặc tính đàn hồi của vật liệu và góp phần đáng kể vào đặc tính kéo và nhiệt độ thấp của vật liệu. Do đó, thông số Tg của đoạn mềm là cực kỳ quan trọng và thứ hai, độ kết tinh, điểm nóng chảy và sự kết tinh do biến dạng gây ra cũng là những yếu tố ảnh hưởng đến tính chất cơ học cuối cùng của nó. Chất đàn hồi PU và bọt xốp làm từ polyester có độ phân cực mạnh như đoạn mềm có đặc tính cơ học tốt hơn. Do PU làm từ polyester polyol chứa nhóm este phân cực lớn nên vật liệu PU này không chỉ có thể hình thành liên kết hydro giữa các phân đoạn cứng mà các nhóm cực trên phân đoạn mềm cũng có thể tương tác một phần với các phân đoạn cứng. Các nhóm cực hình thành liên kết hydro, do đó pha phân đoạn cứng có thể được phân bố đồng đều hơn trong pha phân đoạn mềm, hoạt động như một điểm liên kết ngang đàn hồi. Một số polyol polyester có thể tạo thành các tinh thể phân đoạn mềm ở nhiệt độ phòng, ảnh hưởng đến hiệu suất của PU. Độ bền, khả năng chống dầu và lão hóa oxy hóa nhiệt của vật liệu polyester PU cao hơn so với vật liệu PPG polyether PU, nhưng khả năng chống thủy phân kém hơn loại polyether. Polytetrahydrofuran (PTMG) PU dễ tạo thành tinh thể do cấu trúc chuỗi phân tử đều đặn và độ bền của nó tương đương với polyester PU. Nói chung, nhóm ether của đoạn mềm của polyether PU dễ xoay bên trong hơn, có tính linh hoạt tốt và có hiệu suất nhiệt độ thấp tuyệt vời và không có nhóm este nào tương đối dễ bị thủy phân trong chuỗi polyol polyether, đó là chống lại sự thủy phân. Tốt hơn polyester PU. Carbon α của liên kết ether của đoạn mềm polyether dễ bị oxy hóa để tạo thành các gốc peroxide, dẫn đến một loạt các phản ứng phân hủy oxy hóa. PU với chuỗi phân tử polybutadiene là đoạn mềm có độ phân cực yếu, khả năng tương thích kém giữa các đoạn mềm và cứng và độ bền đàn hồi kém. Đoạn mềm chứa chuỗi bên, do cản trở không gian, có liên kết hydro yếu và độ kết tinh kém, độ bền của nó kém hơn so với chuỗi chính phân đoạn mềm tương tự không có nhóm bên PU. Trọng lượng phân tử của đoạn mềm có ảnh hưởng đến tính chất cơ học của PU. Nói chung, giả sử cùng trọng lượng phân tử của PU, độ bền của vật liệu PU giảm khi trọng lượng phân tử của đoạn mềm tăng; nếu đoạn mềm là chuỗi polyester, độ bền của vật liệu polymer giảm chậm khi trọng lượng phân tử của polyester diol tăng; Nếu đoạn mềm là chuỗi polyether, độ bền của vật liệu polymer giảm khi trọng lượng phân tử của polyether glycol tăng, nhưng độ giãn dài lại tăng. Điều này là do độ phân cực cao của đoạn mềm este và lực liên phân tử lớn, có thể bù đắp một phần sự giảm độ bền của vật liệu PU do trọng lượng phân tử tăng và hàm lượng đoạn mềm tăng. Tuy nhiên, độ phân cực của đoạn polyether mềm rất yếu. Nếu trọng lượng phân tử tăng thì hàm lượng phân đoạn cứng trong PU tương ứng sẽ giảm, dẫn đến độ bền của vật liệu giảm. Khả năng tương thích của copolyme PU có liên quan đến cấu trúc chuỗi của các đại phân tử và sự hiện diện của chuỗi ghép có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng tương thích và đặc tính giảm chấn của copolyme khối polyurethane. Nói chung, ảnh hưởng của trọng lượng phân tử phân đoạn mềm đến khả năng chịu nhiệt và đặc tính lão hóa nhiệt của chất đàn hồi PU là không đáng kể. Độ kết tinh của đoạn mềm có đóng góp lớn vào độ kết tinh của PU tuyến tính. Nói chung, độ kết tinh có lợi cho việc cải thiện độ bền của PU. Nhưng đôi khi quá trình kết tinh làm giảm tính linh hoạt ở nhiệt độ thấp của vật liệu và các polyme kết tinh thường mờ đục. Để tránh sự kết tinh, tính toàn vẹn của phân tử có thể bị giảm, chẳng hạn như sử dụng copolyester hoặc copolyether polyol, hoặc polyol hỗn hợp, bộ mở rộng chuỗi hỗn hợp, v.v.
(5) Ảnh hưởng của phân đoạn cứng đến hiệu suất của chất đàn hồi PU
Cấu trúc phân đoạn cứng là một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt của chất đàn hồi PU. Cấu trúc của diisocyanate và chất kéo dài chuỗi tạo nên phân đoạn chất đàn hồi PU là khác nhau, điều này cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu nhiệt. Phần cứng của vật liệu PU bao gồm polyisocyanate và chất kéo dài chuỗi. Nó chứa các nhóm cực mạnh như nhóm urethane, nhóm aryl và nhóm urê thay thế. Thông thường, đoạn cứng được hình thành bởi isocyanate thơm không dễ thay đổi và kéo dài ở nhiệt độ phòng. có hình que. Các phân đoạn cứng thường ảnh hưởng đến các đặc tính nhiệt độ cao của PU, chẳng hạn như nhiệt độ làm mềm và nóng chảy. Các diisocyanate thường được sử dụng là TDI, MDI, IPDI, PPDI, NDI, v.v., các loại rượu thường được sử dụng là ethylene glycol, -butanediol, hexanediol, v.v., và các amin thường được sử dụng là MOCA, EDA, DETDA, v.v. được lựa chọn theo các đặc tính cơ học mong muốn của polymer, chẳng hạn như nhiệt độ sử dụng tối đa, khả năng chống chịu thời tiết, độ hòa tan, v.v., và tính kinh tế của nó cũng cần được xem xét. Các cấu trúc diisocyanate khác nhau có thể ảnh hưởng đến tính đều đặn của phân đoạn cứng và sự hình thành liên kết hydro, do đó có tác động lớn hơn đến độ bền của chất đàn hồi. Nói chung, vòng thơm chứa isocyanate làm cho đoạn cứng có độ cứng và năng lượng gắn kết cao hơn, điều này thường làm tăng độ bền của chất đàn hồi.
Đoạn cứng chứa nhóm urê bao gồm phần mở rộng chuỗi diisocyanate và diamine, do độ liên kết của nhóm urê rất lớn nên dễ hình thành miền vi mô nhựa và PU bao gồm đoạn cứng này rất dễ bị phân tách microphase. Nói chung, độ cứng của đoạn cứng cấu thành PU càng cao thì khả năng gây ra sự phân tách vi pha càng cao. Trong PU, hàm lượng phân đoạn cứng càng cao thì khả năng gây ra sự phân tách vi pha càng cao.
Bộ mở rộng chuỗi có liên quan đến cấu trúc phân đoạn cứng của chất đàn hồi PU và có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của chất đàn hồi. So với PU mở rộng chuỗi của diol aliphatic, PU mở rộng chuỗi chứa diamine vòng thơm có độ bền cao hơn, bởi vì chất mở rộng chuỗi amin có thể tạo thành liên kết urê và độ phân cực của liên kết urê cao hơn so với liên kết urethane . Hơn nữa, sự khác biệt về thông số hòa tan giữa phân đoạn cứng của liên kết urê và phân đoạn mềm của polyether là lớn, do đó phân đoạn cứng của polyurea và phân đoạn mềm của polyether có khả năng không tương thích nhiệt động lớn hơn, khiến urê PU có khả năng phân tách vi pha tốt hơn. Do đó, PU mở rộng chuỗi diamine có độ bền cơ học, mô đun, độ nhớt và khả năng chịu nhiệt cao hơn PU mở rộng chuỗi diol và cũng có hiệu suất ở nhiệt độ thấp tốt hơn. Chất đàn hồi PU đúc chủ yếu sử dụng diamine thơm làm chất kéo dài chuỗi vì chất đàn hồi PU được điều chế từ đó có đặc tính toàn diện tốt. Bằng cách phản ứng với anhydrit maleic và polyol để tạo thành polyol carboxyl ester, sau đó phản ứng với các monome khác như TDI-80, chất liên kết ngang và chất mở rộng chuỗi, chất chuẩn bị PU chứa carboxyl đã được điều chế, được phân tán thành ba trong dung dịch nước của ethanolamine , PU gốc nước đã được tạo ra và ảnh hưởng của loại cũng như số lượng chất mở rộng chuỗi đến các đặc tính của nhựa đã được nghiên cứu. Sử dụng bisphenol A làm chất mở rộng chuỗi không chỉ có thể cải thiện tính chất cơ học của nhựa mà còn làm tăng nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh của nhựa, mở rộng chiều rộng của đỉnh ma sát bên trong và cải thiện phạm vi nhiệt độ của nhựa ở trạng thái da [ 12]. Cấu trúc của chuỗi mở rộng diamine được sử dụng trong PU urê ảnh hưởng trực tiếp đến liên kết hydro, sự kết tinh và sự phân tách cấu trúc vi pha trong vật liệu và quyết định phần lớn hiệu suất của vật liệu [13]. Với sự gia tăng hàm lượng phân đoạn cứng, độ bền kéo và độ cứng của vật liệu PU tăng dần và độ giãn dài khi đứt giảm. Điều này là do có sự phân tách microphase giữa pha có mức độ kết tinh nhất định được hình thành bởi đoạn cứng và pha vô định hình được hình thành bởi đoạn mềm và vùng tinh thể của đoạn cứng đóng vai trò là điểm liên kết chéo hiệu quả. Nó cũng đóng vai trò tương tự như chất độn gia cố cho vùng vô định hình của đoạn mềm. Khi hàm lượng tăng lên, hiệu ứng gia cố và hiệu ứng liên kết ngang hiệu quả của đoạn cứng trong đoạn mềm được tăng cường, điều này thúc đẩy sự gia tăng độ bền vật chất.
(6) Ảnh hưởng của liên kết ngang đến tính chất của vật liệu đàn hồi PU
Liên kết ngang nội phân tử vừa phải có thể làm tăng độ cứng, nhiệt độ làm mềm và mô đun đàn hồi của vật liệu PU, đồng thời giảm độ giãn dài khi đứt, biến dạng vĩnh viễn và trương nở trong dung môi. Đối với chất đàn hồi PU, liên kết ngang thích hợp có thể tạo ra vật liệu có độ bền cơ học tuyệt vời, độ cứng, độ đàn hồi cao và khả năng chống mài mòn, kháng dầu, kháng ozone và chịu nhiệt tuyệt vời. Tuy nhiên, nếu liên kết ngang quá mức thì các đặc tính như độ bền kéo và độ giãn dài có thể bị giảm. Trong chất đàn hồi PU khối, liên kết ngang hóa học có thể được chia thành hai loại: (1) sử dụng các bộ mở rộng chuỗi ba chức năng (như TMP) để tạo thành cấu trúc liên kết ngang; (2) sử dụng isocyanate dư để phản ứng tạo thành liên kết ngang tạo thành Urê dicondensate (thông qua nhóm urê) hoặc allophanate (thông qua nhóm urethane). Liên kết ngang có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ liên kết hydro và sự hình thành liên kết ngang làm giảm đáng kể mức độ liên kết hydro của vật liệu, nhưng liên kết ngang hóa học có độ ổn định nhiệt tốt hơn liên kết ngang vật lý do liên kết hydro gây ra. Khi nghiên cứu ảnh hưởng của mạng liên kết ngang hóa học đến hình thái, tính chất cơ học và tính chất nhiệt của chất đàn hồi urê PU được nghiên cứu bằng FT-IR và DSC, người ta thấy rằng chất đàn hồi urê PU với các mạng liên kết ngang khác nhau có hình thái khác nhau. Khi mật độ tăng, mức độ trộn microphase của chất đàn hồi tăng lên, nhiệt độ chuyển thủy tinh của đoạn mềm tăng đáng kể và độ bền kéo 300% của chất đàn hồi tăng dần, trong khi độ giãn dài khi đứt giảm dần. Khi , tính chất cơ học (độ bền kéo và độ bền xé) của chất đàn hồi đạt cao nhất.