Ce este poliuretanul?
Așa-numitul poliuretan este abrevierea poliuretanului, care se formează prin reacția poliizocianatului și poliolului și conține multe grupări uretanice repetate (-NH-CO-O-) în lanțul molecular. În rășina poliuretanică sintetică propriu-zisă, pe lângă grupul uretan, există și grupuri precum ureea și biuretul. Poliolii sunt molecule cu lanț lung, cu grupări hidroxil la sfârșit, care sunt numite „segmente moi”, iar poliizocianații sunt numiți „segmente dure”.
În rășina poliuretanică generată de segmentele moi și dure, uretanul este doar o minoritate, așa că nu este neapărat adecvat să-l numim poliuretan. Într-un sens larg, poliuretanul este un polimer de adiție de izocianat.
Diferite tipuri de izocianați reacționează cu compușii polihidroxi pentru a forma poliuretani cu diferite structuri, obținând astfel materiale polimerice cu proprietăți diferite, cum ar fi materiale plastice, cauciucuri, acoperiri, fibre, adezivi etc. Cauciuc poliuretanic
Cauciucul poliuretanic a fost dezvoltat pentru prima dată cu succes în Germania în 1940 și a fost pus în producție industrială după 1952, în timp ce țara mea a fost dezvoltată și pusă în producție la mijlocul-1960s. Cauciucul poliuretanic aparține unui fel de cauciuc special, care este preparat prin reacția polieterului sau poliesterului cu izocianatul. Există multe varietăți datorită diferitelor tipuri de materii prime, condiții de reacție și metode de reticulare. În ceea ce privește structura chimică, există tipul poliester și tipul polieter, iar în ceea ce privește metoda de prelucrare, există trei tipuri: tip amestec, tip turnare și tip termoplastic.
Cauciucul poliuretanic sintetic este în general realizat prin reacția poliesterului liniar sau polieterului cu diizocianat pentru a obține un prepolimer cu greutate moleculară mică. După reacția de extindere a lanțului, se formează un polimer cu moleculară înaltă și apoi se adaugă un agent de reticulare adecvat pentru a-l încălzi. Întărită pentru a deveni cauciuc vulcanizat, această metodă se numește metodă de prepolimerizare sau metodă în două etape.
De asemenea, este posibil să se utilizeze o metodă într-o singură etapă - poliesterul liniar sau polieterul este amestecat direct cu diizocianat, prelungitor de lanț și agent de reticulare, astfel încât reacția să aibă loc pentru a genera cauciuc poliuretanic.
Cauciuc termoplastic poliuretanic (TPU)
Cauciucul poliuretanic termoplastic este un polimer liniar bloc de tip n (AB), A reprezintă poliester sau polieter cu greutate moleculară mare (greutate moleculară 1000-6000), numit lanț lung, B reprezintă 2-12 atomi de carbon liniar Diolul atomic este un lanț scurt, iar legătura chimică dintre segmentele AB este diizocianatul.
Relația dintre structura și proprietățile fizice ale TPU
1. Structura segmentului
Segmentul A din molecula TPU face ca lanțul macromolecular să se rotească ușor, dând cauciucului poliuretanic o bună elasticitate, reducând punctul de înmuiere și punctul de tranziție secundar al polimerului și reducând duritatea și rezistența mecanică. Segmentul B va lega rotația lanțului macromolecular, astfel încât punctul de înmuiere și punctul de tranziție secundar al polimerului sunt crescute, duritatea și rezistența mecanică sunt crescute, iar elasticitatea este scăzută. Prin ajustarea raportului molar dintre A și B, pot fi preparate TPU cu proprietăți mecanice diferite.
2. Structura cross-linked
În plus față de reticulare primară, structura de reticulare a TPU trebuie să ia în considerare și reticulare secundară formată din legături de hidrogen intermoleculare. Legătura primară de reticulare a poliuretanului este diferită de structura de vulcanizare a cauciucului hidroxi, iar grupul său de uretan, biuretul, grupul alofanat și alte grupuri sunt în mod regulat și distanțate în segmente rigide, astfel încât cauciucul obținut are o structură de rețea regulată, deci are o rezistență excelentă la uzură și alte proprietăți excelente.
În al doilea rând, deoarece cauciucul poliuretanic conține multe grupe, cum ar fi grupuri de uree sau grupuri de uretan cu energie de coeziune mare, legăturile de hidrogen formate între lanțurile moleculare au o rezistență ridicată, iar reticulare secundară formată din legăturile de hidrogen Sănătatea are, de asemenea, o influență importantă asupra proprietăților. din cauciuc poliuretanic. Reticulare secundară face ca cauciucul poliuretanic să aibă caracteristicile elastomerului termorigid, pe de o parte, iar pe de altă parte, reticulare nu este cu adevărat reticulare, este o reticulare virtuală, iar reticulare starea depinde de temperatură.
Pe măsură ce temperatura crește, această reticulare slăbește și dispare treptat, iar polimerul are o anumită fluiditate și poate fi prelucrat termoplastic. Când temperatura este scăzută, această reticulare este restabilită treptat și se formează din nou. Adăugarea unei cantități mici de umplutură crește distanța dintre molecule, capacitatea de a forma legături de hidrogen între molecule este slăbită, iar rezistența va scădea brusc.
3. Stabilitatea grupului
Cercetările arată că ordinea de stabilitate a fiecărei grupe în cauciucul poliuretanic de la mare la scăzut este: ester, eter, uree, uretan, biuret. În procesul de îmbătrânire a cauciucului poliuretanic, primul este grupul biuret și uree. Legăturile încrucișate cu formiat sunt scindate, urmate de legăturile uretan și uree, adică lanțul principal este scindat.
Proprietățile cauciucului poliuretanic
Modulul elastic al TPU este între cauciuc și plastic. Cea mai mare caracteristică a sa este că are atât duritate, cât și elasticitate, ceea ce nu se găsește în alte cauciucuri și materiale plastice.
TPU este împărțit în două tipuri: tip poliester și tip polieter. În comparație cu proprietățile fizice, tipul de poliester are performanțe mai bune pentru cauciucul cu duritate scăzută, în timp ce tipul de polieter este mai bun pentru cauciucul cu duritate mare. Cauciucul poliester are o rezistență mai bună la ulei, rezistență la căldură și aderență la metal, în timp ce tipul de polieter este mai bun pentru rezistența la hidroliză, rezistența la frig și proprietățile antibacteriene.
1. Caracteristici de mediu
TPU are în general o rezistență bună la temperatură, temperatura pentru utilizare continuă pe termen lung este de 80 până la 90 de grade și poate ajunge la aproximativ 120 de grade într-un timp scurt. Rezistența la temperaturi scăzute a poliuretanului este, de asemenea, bună. Temperatura de fragilitate a poliuretanului poliester este de -40 grade C, în timp ce poliuretanul de polieter este de -70 ~ -80 grade C, dar va deveni dur la temperatură scăzută.
Rezistența la ulei a TPU este relativ bună, dar rezistența la apă variază în funcție de structură. Cea mai gravă degradare a TPU este cauzată de reversibilitatea reacției de formare a esterului. Când esterul este în contact cu apa, reformarea acidului este responsabilă pentru reacția autocatalitică care duce la dezintegrarea moleculei. Uretanii din poliester se dezintegrează mai mult atunci când sunt expuși la umiditate în aer decât atunci când sunt complet scufundați în apă. Acest lucru se datorează faptului că atunci când este scufundat în apă, acidul format este spălat în mod constant.
Rezistența la hidroliză a poliuretanului polieter este de 3 până la 5 ori mai mare decât a poliuretanului poliester, deoarece gruparea eterică nu va reacționa cu apa.
Există două motive pentru care pătrunderea apei duce la scăderea performanței poliuretanului: unul este că apa intrusă formează legături de hidrogen cu grupări polare din poliuretan, ceea ce slăbește legăturile de hidrogen dintre moleculele de polimer. Acest proces este reversibil. După ce proprietățile fizice sunt restaurate.
Al doilea este că apa invadatoare hidrolizează poliuretanul, care este ireversibil.
Poliuretanul se va decolora și se va întuneca la expunerea prelungită la soare, iar proprietățile sale fizice vor scădea treptat. Bacteriile enzimatice pot duce și la degradarea poliuretanului, astfel că cauciucului poliuretanic utilizat în producția industrială se adaugă antioxidanți, absorbanți de ultraviolete, agenți antienzimatici etc.
2. Proprietăţi mecanice
Rezistența la tracțiune: Rezistența la tracțiune a cauciucului poliuretanic este relativ mare, ajungând în general la 28 până la 42 MPa, iar TPU este la mijloc, aproximativ 35 MPa.
Alungire: în general până la 400 până la 600, maximul este de 1000 la sută.
Elasticitate: elasticitatea poliuretanului este relativ mare, dar pierderea sa de histerezis este, de asemenea, relativ mare, astfel încât generarea de căldură este mare. Se deteriorează cu ușurință în condițiile de încărcare de îndoire multiplă și rulare de mare viteză.
Duritate: Gama de duritate a poliuretanului este mai larg decât cea a altor cauciucuri, cea mai mică este duritatea Shore 10, iar majoritatea produselor au o duritate de la 45 la 95. Când duritatea este mai mare de 70 de grade, rezistența la tracțiune și rezistența fixă de alungire sunt mai mari decât cele ale cauciucului natural. Când duritatea este de 80 până la 90 de grade, rezistența la tracțiune, rezistența fixă de alungire și rezistența la rupere sunt destul de ridicate.
Rezistența la rupere: rezistența la rupere a poliuretanului este relativ mare. Când temperatura de testare crește la 100-110 grade , rezistența la rupere este echivalentă cu cea a cauciucului stiren-butadien.
Rezistența la uzură: rezistența la uzură a poliuretanului este foarte bună, de 9 ori mai mare decât cea a cauciucului natural și de 1 până la 3 ori mai mare decât cea a cauciucului stiren-butadien
Cerințe de procesare
TPU are caracteristicile duble ale plasticului și cauciucului. Aceste caracteristici fizice și chimice unice ne impun să fim tratați special în proiectarea matrițelor și turnarea prin injecție.
Design matriță:
1. Designul alergătorului:
Deoarece sprue este locul cu cea mai mare presiune, atunci când presiunea de injecție este eliberată, condensul din spruce va crește rezistența datorită expansiunii elastice, ceea ce va face ca duza să se lipească de matrița frontală. Prin urmare, panta de demulare a spruce trebuie mărită cât mai mult posibil la proiectarea matriței. . Dimensiunea capătului mic al mașinii de alimentare nu poate fi mai mică decât diametrul duzei mașinii de turnat prin injecție. Creșterea dimensiunii capătului mare necesită un timp suplimentar de răcire și prelungește ciclul de injecție. Prin urmare, creșterea pantei de deformare se realizează în principal prin scurtarea lungimii maței.
În circumstanțe normale, diametrul capătului mic al canalului principal este de aproximativ 2,5 până la 3,0 mm, diametrul capătului mare este mai mic de 6,0 mm, iar lungimea nu trebuie depășește 40 mm. La capătul canalului principal, o fântână rece cu același diametru sau puțin mai mare ca și capătul mare trebuie setat pentru a colecta lipici rece și a bloca orificiul de evacuare a apei.
Diametrul ghidajului ar trebui să depindă de structura produsului și de lungimea acestuia. În general, nu ar trebui să fie mai mic de 4,0mm. Canalul de șunt adoptă o formă circulară pentru a obține un efect de răcire mai bun.
2. Design porți:
Datorită fluidității slabe a TPU, adâncimea și lățimea porții ar trebui să fie mai mari decât cele ale altor materiale termoplastice pentru a evita inconsecvența dintre contracția laterală și longitudinală cauzată de jetul și orientarea moleculară a coloidului care trece prin poartă. , în timp ce dimensiunea lungimii Este mai mică decât cele obișnuite pentru a facilita trecerea coloizilor. O poartă prea lungă va face ca coloidul să fie ejectat în timpul umplerii, ceea ce va afecta aspectul produsului. Porțile cu știfturi care pot provoca forfecare excesivă și generarea de căldură a materialului trebuie evitate pe cât posibil.
3. Proiectarea canelurii de evacuare:
Evacuarea matriței trebuie să fie suficientă pentru a preveni arderea produsului, mai ales atunci când direcția de umplere a materialului cauciuc se schimbă brusc și partea în care produsul este în cele din urmă umplut, acordați o atenție deosebită reglajului evacuarii. Adâncimea canelurii de evacuare ar trebui să fie distinsă în funcție de tipul de TPU. Uneori, adâncimea canelurii de evacuare este de numai 0,01 mm, iar la canelura de evacuare va fi generată un drapeu, care are o relație importantă cu proprietățile speciale ale materialului TPU.
4. Proiectarea sistemului de răcire:
Efectul de răcire al matriței este mai bun. Pentru alte materiale termoplastice, atâta timp cât stratul înghețat de pe suprafața produsului are o rezistență suficientă în timpul turnării prin injecție, produsul poate fi ejectat și deformat la o temperatură mai ridicată. Pentru TPU, când temperatura este ridicată, legăturile de hidrogen dintre molecule nu sunt restabilite, iar rezistența la tracțiune a produsului este scăzută. Ejectarea forțată și deformarea nu vor duce decât la deformarea produsului. Cheia este recuperată în totalitate, iar TPU-ul poate fi deformat doar atunci când TPU are suficientă rezistență, ceea ce necesită ca efectul de răcire al matriței să fie mai bun.
5. Determinarea ratei de contracție:
Rata de contracție a TPU variază foarte mult în funcție de marca TPU utilizată, de grosimea și structura produsului și de temperatura și presiunea în timpul turnării prin injecție, iar intervalul său este între {{0}},1% și 2,0% . Atunci când proiectați matrița, nu numai că trebuie să faceți referire la datele privind rata de contracție a materiei prime, ci și în funcție de structura și grosimea produsului pentru a estima temperatura și presiunea de injecție care vor fi utilizate în turnarea prin injecție și pentru a face corecțiile corespunzătoare. Pentru produsele cu poziții adezive locale mai groase, presiunea necesară pentru turnarea prin injecție este mai mare, iar rata de contracție a produsului turnat este mai mică, deci este necesar să se reducă rata de contracție a TPU. Pentru produsele cu o poziție relativ uniformă a adezivului și un produs gros, valoarea ratei de contracție ar trebui mărită în mod corespunzător.
Prelucrare prin injecție
1. Uscarea materiilor prime Deoarece pătrunderea umezelii poate degrada TPU
Când conținutul de umiditate al TPU depășește 0,2 procente, nu numai aspectul produsului este afectat, ci și proprietățile mecanice sunt în mod evident deteriorate, iar produsul turnat prin injecție are elasticitate slabă și rezistență scăzută. Prin urmare, ar trebui să fie uscat la o temperatură de 80 de grade până la 110 de grade timp de 2 până la 3 ore înainte de turnarea prin injecție.
2. Curățarea butoiului
Butoiul mașinii de turnat prin injecție trebuie curățat, iar amestecarea a foarte puține alte materii prime va reduce rezistența mecanică a produsului. Butoaiele curățate cu ABS, PMMA și PE trebuie curățate din nou cu material pentru duză TPU înainte de turnarea prin injecție, iar materialul rezidual din butoi trebuie îndepărtat cu material pentru duză TPU.
3. Controlul temperaturii de procesare
Temperatura de procesare a TPU are un impact crucial asupra dimensiunii finale, aspectului și deformarii produsului. Temperatura depinde de gradul de TPU utilizat și de condițiile specifice ale designului matriței. Tendința generală este că pentru a obține o rată de contracție mică, temperatura de procesare trebuie crescută; pentru a obține o rată de contracție mare, temperatura de procesare trebuie scăzută. Chiar și în intervalul normal de temperatură de procesare a TPU, dacă materia primă rămâne în butoi prea mult timp, aceasta va duce la degradarea termică a TPU, iar materialul rezidual din butoi trebuie golit înainte de turnarea prin injecție. Controlul temperaturii duzei este, de asemenea, foarte important. În circumstanțe normale, ar trebui să fie cu aproximativ 5 grade mai mare decât temperatura capătului frontal al butoiului.
4. Controlul vitezei și presiunii de injecție
Viteza de injecție mai mică și timpul de așteptare mai lung vor îmbunătăți orientarea moleculară și, deși se poate obține o dimensiune mai mică a produsului, deformarea produsului va fi mai mare, iar diferența dintre contracția transversală și longitudinală va fi mare. De asemenea, presiunea mare de menținere va face ca coloidul să fie supracomprimat în matriță, iar dimensiunea produsului după demulare este mai mare decât dimensiunea cavității matriței.
5. Controlul vitezei de topire și contrapresiunii
Materialul TPU este mai sensibil la forfecare. Când căldura de forfecare generată de viteza mare de topire și contrapresiunea este prea mare, va duce la degradarea termică a TPU. Prin urmare, viteza mică sau medie este în general utilizată pentru topirea TPU. Dacă ciclul de turnare prin injecție este lung, trebuie utilizată funcția de topire întârziată, iar deschiderea matriței va începe după ce topirea este finalizată, pentru a preveni ca materiile prime să rămână în butoi prea mult timp și să se degradeze.
