ผลของส่วนที่อ่อนนุ่มของโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์ต่อคุณสมบัติทางกล
ยูรีเทนอีลาสโตเมอร์ (PUE) ส่วนใหญ่สังเคราะห์จากโอลิโกเมอร์โพลิออล พอลิไอโซไซยาเนตและตัวขยายสายโซ่เป็นวัตถุดิบ สามารถปรับคุณสมบัติทางกลได้หลากหลาย สามารถสังเคราะห์ได้โดยการเลือกวัตถุดิบที่เหมาะสมตามความต้องการเพื่อเตรียมผลิตภัณฑ์ให้ตรงกับความต้องการ โดยทั่วไปแล้ว โอลิโกเมอร์โพลิออลประกอบด้วยส่วนที่อ่อนนุ่มของโพลียูรีเทน พอลิไอโซไซยาเนตและตัวขยายสายโซ่ประกอบด้วยส่วนที่แข็ง และการแยกไมโครเฟสเกิดขึ้นระหว่างส่วนที่อ่อนนุ่มและส่วนที่แข็ง เพื่อให้ PUE มีประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยม มีวิธีการจัดประเภท PUE หลายวิธี: ตามเทคโนโลยีการประมวลผล สามารถแบ่งออกเป็นสามประเภท: แบบหล่อ ชนิดเทอร์โมพลาสติก และชนิดผสม ตามกระบวนการปฏิกิริยาเคมี สามารถแบ่งออกเป็นวิธีขั้นตอนเดียวและวิธีสองขั้นตอน ประเภทแอลกอฮอล์สามารถแบ่งออกเป็นประเภทโพลิอีเทอร์และประเภทโพลีเอสเตอร์
1 ส่วนทดลอง
1.1 วัตถุดิบและเครื่องมือ
Tetrahydrofuran homopolyether polyol (PTMG): Mn=1000 และ Mn=2000, Japan Mitsubishi Chemical Corporation ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม; Polycaprolactone polyol (PCL): Mn=2000, Japan Daicel Chemical Industry Co., Ltd., ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม; polybutylene adipate diol (PBA, Mn=1000, 2000), polyethylene adipate diol (PEA, Mn=2000): Yantai Huada Chemical Co., Ltd., ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม; โพลีคาร์บอเนตไดออล (PCDL): Mn=2000, Asahi Kasei Chemical Co., Ltd., ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม; 4, 4' – Diphenylmethane diisocyanate (MDI): Yantai Wanhua Polyurethane Co., Ltd., ผลิตภัณฑ์อุตสาหกรรม; 1, 4 – Butanediol (BDO): โรงงานเคมีปักกิ่ง เกรดวิเคราะห์; Dibutyltin dilaurate (T12): Tianjin Ruijinte Chemicals Co., Ltd. เกรดน้ำยา
เครื่องทดสอบอเนกประสงค์แบบอิเล็กทรอนิกส์: รุ่น CMT6104, Shenzhen Xinsansi Measuring Technology Co., Ltd.; ยาง Durometer: รุ่น LX-A, Yingkou Experimental Materials Factory.
1.2 การสังเคราะห์ PUE
1.2.1 การเตรียมพรีพอลิเมอร์
คายน้ำโอลิโกเมอร์โพลิออลภายใต้สุญญากาศที่ 100 ~ 110 องศาเป็นเวลา 2 ชั่วโมง เย็นถึง 50 ~ 55 องศาสำหรับการใช้งาน เท MDI ที่ละลายแล้วลงในขวดแบบสามคอ เมื่ออุณหภูมิ MDI ลดลงเป็น 50~55 องศา ให้เติมมิเตอร์สำหรับโพลิออลโอลิโกเมอร์ที่ดี ขั้นแรกทำปฏิกิริยาตามธรรมชาติเป็นเวลา 30 นาทีโดยไม่ให้ความร้อน จากนั้นคนและให้ความร้อนเป็นเวลา 2 ชั่วโมงที่ 80~ 85 องศา นำตัวอย่างมาวิเคราะห์เศษส่วนมวลของ NCO และสิ้นสุดปฏิกิริยาเมื่อค่าการวิเคราะห์ใกล้เคียงกับค่าการออกแบบ สามารถหาพรีโพลีเมอร์ได้ซึ่งปิดผนึกและเก็บไว้เพื่อใช้ในภายหลัง
1.2.2 การเตรียมอีลาสโตเมอร์
ชั่งน้ำหนักพรีพอลิเมอร์ในปริมาณที่เหมาะสม เพิ่ม BDO และ T12 ในสัดส่วน คนให้เข้ากันอย่างรวดเร็วและสม่ำเสมอ เทลงในแม่พิมพ์แบน 120 องศาที่อุ่นไว้ จากนั้นกดและทำให้แห้งเป็นเวลา 30 นาทีเมื่อถึงจุดเจล คุณสมบัติทางกลได้รับการทดสอบหลังจากการบ่มเป็นเวลา 18 ชั่วโมงในเตาอบที่อุณหภูมิห้องเป็นเวลา 24 ชั่วโมง
1.3 วิธีทดสอบ
เนื้อหา NCO ถูกกำหนดตาม HG/T2409-1992; ความแข็งของชอร์ A ถูกกำหนดตาม GB/T5311-2008; ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ การยืดตัวที่จุดขาด และความต้านทานแรงดึงถูกกำหนดตาม GB/T528-2009; แรงฉีกขาดถูกกำหนดตาม GB/T531.1-2008 GB/T529-2008 การกำหนด
2.1 ผลของโอลิโกเมอร์โพลิออลต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE
ชนิดและโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันของโอลิโกเมอร์โพลิออลมีผลโดยตรงต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE ใช้โพลิออลโพลิออลและโพลิออลโพลีเอสเตอร์ที่มีมวลโมเลกุลสัมพัทธ์เท่ากัน (2000 ทั้งคู่) ให้เศษส่วนมวลของส่วนอ่อนอยู่ที่ 55 เปอร์เซ็นต์ สังเคราะห์พรีพอลิเมอร์ด้วย MDI สัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่ [n(OH) ในระบบ: n(NCO )] คือ 1 พรีพอลิเมอร์ถูกขยายสายโซ่ด้วย BDO และคุณสมบัติทางกลของ PUE ที่เตรียมไว้แสดงไว้ในตารางที่ 1
จากตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าเมื่อ w(NCO) ของพรีพอลิเมอร์มีค่าเท่ากัน คุณสมบัติทางกลของ PUE ซึ่งส่วนอ่อนคือ PCL, PBA, PEA และ PCDL โดยทั่วไปแล้วจะดีกว่าที่มีส่วนอ่อนเป็น PTMG ทั้งนี้เนื่องจาก PCL, PBAPEA และ PCDL เป็นโพลิออลโพลีเอสเตอร์ทั้งหมดที่มีกลุ่มเอสเทอร์อยู่ภายใน ขณะที่ PTMG เป็นโพลิออลโพลิออลที่มีกลุ่มอีเทอร์อยู่ภายใน และกลุ่มเอสเทอร์มีขั้วมากกว่ากลุ่มอีเทอร์ ทำให้ภายในโพลียูรีเทนง่ายขึ้น พันธะไฮโดรเจนจะถูกสร้างขึ้น และคุณสมบัติทางกลจะดีกว่า ในโพลีเอสเตอร์ PUE เนื่องจาก PCDL ประกอบด้วยกลุ่มคาร์บอเนต ขั้วจะใหญ่ที่สุด และ PUE ที่ได้รับจะมีระดับผลึกสูงสุดในส่วนที่อ่อนนุ่ม ดังนั้นความแข็งและความต้านทานแรงดึงสูงสุดจึงสูงสุด และการยืดที่จุดขาดจะต่ำที่สุด เนื้อหาของกลุ่มเอสเทอร์ใน PCL ค่าความแข็งและความต้านทานแรงดึงของ Shore A ต่ำสุด และการยืดตัวสูงสุดที่จุดแตกหัก PBA และ PEA มีกลุ่ม PEA ester มากกว่า แต่เนื่องจากตัวขยายสายโซ่ใช้ BDO จำนวนอะตอมของคาร์บอนระหว่างสองกลุ่มไฮดรอกซิลคือ 4 และ PEA มีอะตอมของคาร์บอนน้อยกว่า PBA 2 ตัว โครงสร้างของ PBA และ BDO มีความคล้ายคลึงกันมากกว่า ผลที่ได้คือโพลียูรีเทนที่สม่ำเสมอกว่า และผลึกมีความแข็งแรงมากขึ้น ดังนั้นประสิทธิภาพของ PUE ที่สังเคราะห์โดย PBA ในส่วนที่อ่อนนุ่มจะดีกว่าของ กฟภ.
2.2 ผลของน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของโอลิโกเมอร์โพลิออลต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE
โอลิโกเมอร์โพลิออลชนิดเดียวกันที่มีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ต่างกันใช้ในการสังเคราะห์โพลียูรีเทน เนื่องจากขนาดของส่วนที่อ่อนนุ่มต่างกัน และอิทธิพลต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE ก็ต่างกันด้วย ใช้โพลิออลโพลิออลและโพลิออลโพลีเอสเตอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ต่างกัน เก็บ w(NCO) เท่ากัน สังเคราะห์พรีพอลิเมอร์ด้วย MDI ใช้ BDO เป็นตัวขยายสายโซ่ และค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายคือ 1 คุณสมบัติทางกลของอีลาสโตเมอร์ที่เตรียมไว้แสดงไว้ในตาราง 2.
ดังที่เห็นได้จากตารางที่ 2 ไม่ว่าจะเป็นโพลีเอสเตอร์ PUE ที่สังเคราะห์โดย PBA หรือโพลิอีเทอร์ PUE ที่สังเคราะห์โดย PTMG เมื่อ w(NCO) ของพรีโพลีเมอร์มีค่าเท่ากัน เมื่อน้ำหนักโมเลกุลสัมพัทธ์ของโอลิโกเมอร์โพลิออลเพิ่มขึ้น PUE จะลดลง ความแข็ง ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ ความต้านทานแรงดึงและความต้านแรงดึงลดลง ในขณะที่การยืดเมื่อขาดเพิ่มขึ้น เมื่อมวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของโอลิโกเมอร์โพลิออลเพิ่มขึ้น ขั้วของ PUE ที่เตรียมไว้จะลดลง ซึ่งไม่เอื้อต่อการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน ระดับของการแยกไมโครเฟสระหว่างส่วนที่อ่อนและส่วนแข็งจะลดลง และความแข็งที่เกี่ยวข้อง โมดูลัส และกำลังลดลง มวลโมเลกุลสัมพัทธ์ของโอลิโกเมอร์โพลิออลเพิ่มขึ้น ซึ่งทำให้ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพันธะไฮโดรเจนลดลง ลดแนวโน้มการตกผลึกของส่วนที่อ่อนนุ่ม รักษาความยืดหยุ่นสูงของ PUE และเพิ่มการยืดตัวเมื่อขาด
2.3 ผลกระทบของปริมาณ NCO ต่อคุณสมบัติทางกลของโพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์
ปริมาณ NCO ที่แตกต่างกันของพรีโพลีเมอร์จะนำไปสู่เนื้อหาที่แตกต่างกันของส่วนที่อ่อนนุ่มของ PUE สังเคราะห์ ซึ่งส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของอีลาสโตเมอร์ ประการแรก ใช้โพลิออลโพลิออลและโพลิออลโพลีเอสเตอร์ที่มีมวลโมเลกุลสัมพัทธ์เดียวกันในการสังเคราะห์พรีโพลีเมอร์ที่มีค่า NCO ต่างกันด้วย MDI คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลแสดงในตารางที่ 3
เห็นได้จากตารางที่ 3 ไม่ว่าจะเป็นโพลีเอสเตอร์ PUE ที่สังเคราะห์โดย PBA หรือโพลิอีเทอร์ PUE ที่สังเคราะห์โดย PTMG โดยการเพิ่มพรีพอลิเมอร์ w (NCO) ความแข็ง ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ ค่าความต้านทานแรงดึง และค่าความต้านทานการฉีกขาดของ PUE เพิ่มขึ้น แรงแตกเพิ่มขึ้น ในขณะที่การยืดเมื่อขาดลดลง เนื่องจากยิ่งมี w(NCO) ในพรีพอลิเมอร์สูง ปริมาณโพลีไอโซไซยาเนตก็จะยิ่งสูงขึ้น และในขณะเดียวกัน ปริมาณของตัวขยายสายโซ่จะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะเพิ่มเนื้อหาส่วนที่แข็งของ PUE และเพิ่มความแข็ง w(NCO) ในพรีโพลีเมอร์จะเพิ่มขึ้น ) กลุ่มยูรีเทนเพิ่มขึ้น ขั้วของยูรีเทนจะใหญ่ขึ้น และระดับของการแยกไมโครเฟสเพิ่มขึ้นเพื่อเพิ่มโมดูลัสและความแข็งแรง การเพิ่มขึ้นของ w(NCO) ทำให้ง่ายต่อการสร้างพันธะไฮโดรเจนภายในโพลียูรีเทน และปฏิกิริยาของพันธะไฮโดรเจนจะเพิ่มขึ้น ใหญ่ ดังนั้นการยืดตัวจึงลดลง
2.4 อิทธิพลของค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่ต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE
หากค่าสัมประสิทธิ์การต่อขยายโซ่แตกต่างกัน ปริมาณของตัวขยายโซ่ที่ใช้จะแตกต่างกัน ซึ่งจะนำไปสู่เนื้อหาที่แตกต่างกันของส่วนอ่อน PUE สังเคราะห์ ซึ่งจะส่งผลต่อคุณสมบัติทางกลของ PUE การใช้โพลิออลโพลิออลและโพลิออลโพลีเอสเตอร์ที่มีมวลโมเลกุลสัมพัทธ์เท่ากัน โดยคงค่า w(NCO) เท่ากัน การสังเคราะห์พรีพอลิเมอร์ด้วย MDI จากนั้นเปลี่ยนค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่ และใช้ BDO เพื่อขยายสายโซ่ของพรีโพลีเมอร์ กลศาสตร์ PUE ที่เตรียมไว้ ประสิทธิภาพแสดงไว้ในตารางที่ 4
เห็นได้จากตารางที่ 4 ไม่ว่าจะเป็นโพลีเอสเตอร์ PUE ที่สังเคราะห์ด้วย PBA หรือโพลิอีเทอร์ PUE ที่สังเคราะห์โดย PTMG เมื่อ w(NCO) ของพรีพอลิเมอร์มีค่าเท่ากัน โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่เพิ่มขึ้น ความแข็งของ PUE 300 เปอร์เซ็นต์ ความเค้นดึง การยืดเมื่อขาด ความต้านแรงดึงและความต้านแรงดึงเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง และคุณสมบัติทางกลจะดีที่สุดเมื่อค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่เท่ากับ 100 เนื่องจากเมื่อค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่เท่ากับ 100 โพลียูรีเทนอีลาสโตเมอร์มีแนวโน้มที่จะสร้างโมเลกุลสายยาวที่มีระดับความเป็นเส้นตรงสูงสุด และ PUE มีคุณสมบัติทางกลที่ดีที่สุดในขณะนี้ เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่ต่ำกว่า 100 เนื่องจากตัวขยายสายโซ่ไม่เพียงพอ จึงไม่สามารถสร้างสายโซ่ยาวระดับโมเลกุลได้ และประสิทธิภาพของโพลียูรีเทนต่ำ เมื่อค่าสัมประสิทธิ์การต่อสายโซ่มากกว่า 1.00 เนื่องจากตัวช่วยต่อสายโซ่ที่มากเกินไป สามารถตอบสนองความต้องการในการต่อสายโซ่ได้ มีสารตกค้าง และสารตกค้างเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นตัวปรับสภาพพลาสติไซเซอร์เพื่อลดคุณสมบัติทางกลของ PUE
บทสรุป
① เมื่อพรีโพลีเมอร์ w (NCO) เหมือนกัน: คุณสมบัติทางกลของ PUE ที่มีส่วนอ่อนคือ PCL, PBA, PEA และ PCDL โดยทั่วไปแล้วจะดีกว่าที่มีส่วนอ่อนคือ PTMG ความแข็ง ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ ความต้านทานแรงดึงและแรงฉีกขาดลดลง ในขณะที่การยืดตัวที่จุดขาดเพิ่มขึ้น ด้วยค่าสัมประสิทธิ์การต่อโซ่ที่เพิ่มขึ้น ค่าความแข็ง ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ การยืดเมื่อขาด ค่าความต้านทานแรงดึงของ PUE ค่าความแข็งแรงและการฉีกขาดมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นก่อนแล้วจึงลดลง และเมื่อค่าสัมประสิทธิ์การต่อโซ่เท่ากับ 1.00 ค่าทางกล คุณสมบัติที่ดีที่สุด
② เมื่อเพิ่มพรีพอลิเมอร์ w(NCO) ความแข็ง ความเค้นแรงดึง 300 เปอร์เซ็นต์ ความต้านทานแรงดึงและการฉีกขาดของ PUE เพิ่มขึ้น ในขณะที่การยืดตัวที่จุดขาดลดลง
