Tóm tắt:
Sử dụng MDI hóa lỏng và polycarbonate diol (PCDL) làm nguyên liệu chính, nước làm chất tạo bọt, triethylamine và dibutyltin phô trương làm chất xúc tác, một loạt các bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng kiểu polycarbonate (SMPUF) đã được tổng hợp. Ảnh hưởng của hàm lượng nước đến hiệu suất bọt đã được nghiên cứu bằng cách kiểm tra mật độ, kiểm tra hiệu suất nén, kiểm tra nhiệt lượng quét vi sai và kiểm tra hiệu suất bộ nhớ hình dạng. Kết quả cho thấy tỷ lệ phục hồi hình dạng và tỷ lệ cố định hình dạng của SMPUF lên đến 100%, và thời gian ngắn nhất cần thiết để phục hồi hình dạng là 9 giây. Cao hơn và cao hơn.
Bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng (SMPUF) là một loại vật liệu bộ nhớ hình dạng đặc biệt. So với chất đàn hồi polyurethane bộ nhớ hình dạng [1], SMPUF có ưu điểm là mật độ thấp, hiệu suất hấp thụ năng lượng tốt, hiệu quả phục hồi hình dạng rõ ràng và có thể nhanh chóng được đúc thành một hình dạng cụ thể [2], vì vậy nó được sử dụng rộng rãi trong hàng không vũ trụ, y sinh, dầu khí, v.v. Khai thác mỏ và các lĩnh vực khác có thể có tiềm năng ứng dụng [3-4]. Tuy nhiên, có rất ít báo cáo nghiên cứu về bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng.
Kang et al [5] tổng hợp các ống nano carbon / bọt polyurethane nhiều thành với polyether polyol và 4,4'-diphenylmethane diisocyanate (MDI) làm nguyên liệu thô và nước làm chất tạo bọt. Việc bổ sung các ống nano carbon nhiều thành có thể tăng cường đáng kể độ bền cơ học và hình dạng các đặc tính bộ nhớ của bọt polyurethane. Chung et al. [6] đã sử dụng MDI, polycaprolactone diol (PCL) và 1,4-butanediol (BDO) để tổng hợp polyurethane thông qua phương pháp một bước, sau đó hòa tan polyurethane trong tetrahydrofuran để điều chế polyurethane bằng phương pháp lọc muối. Bọt, tỷ lệ cố định hình dạng và tỷ lệ phục hồi của nó cao hơn 98%. SMPUF có không gian phát triển rộng hơn so với chất đàn hồi polyurethane, và cần tăng cường nghiên cứu về quá trình chuẩn bị và mối quan hệ cấu trúc-tài sản để mở rộng ứng dụng của nó trong các lĩnh vực khác nhau.
Trong nghiên cứu này, SMPUF đã được điều chế bằng cách sử dụng polycarbonate diol (PCDL) và MDI hóa lỏng làm nguyên liệu chính và nước làm tác nhân thổi, và ảnh hưởng của lượng nước đến các tính chất của bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng đã được nghiên cứu.
Phần thử nghiệm 1.1 Thuốc thử và dụng cụ chính Polycarbonate diol, thương hiệu PD2000, cấp công nghiệp, Beijing Beihua Engineering Technology Co., Ltd.; MDI hóa lỏng (MM103), công ty BASF; 1,4-cyclohexanedimethanol (CHDM), lớp phân tích, Thượng Hải Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.; Triethylamine, phân tích lớp, Thiên Tân Fuchen hóa chất reagent nhà máy; Dibutyltin phô trương, lớp phân tích, Thiên Tân Guangfu Viện Hóa chất tốt.
Máy kiểm tra vật liệu đa năng XWW-20A, Công ty TNHH Thiết bị Kiểm tra Chengde Jinjian; Thiết bị đo nhiệt lượng quét vi sai DSC204 F1 (DSC), Công ty Netzsch của Đức.
1.2 Quá trình thực nghiệm
Thêm PCDL vào bình ba cổ khô được trang bị nhiệt kế, máy khuấy và tay đòn chân không, và hút chân không làm mất nước trong 1,5 đến 2 giờ trong điều kiện 105 °C và -0,1 MPa. Khi độ ẩm dưới 0,1%, ngừng hút bụi, làm mát xuống 50 °C và bảo quản trong hộp kín cho đến khi sử dụng. MDI được làm nóng trước trong lò sấy nổ điện ở 50 ° C trong 1 giờ cho đến khi sử dụng.
Cân PCDL, CHDM, nước, triethylamine và dibutyltin phô trương, khuấy và trộn chúng ở tốc độ cao, sau đó đo các thành phần MDI hóa lỏng, khuấy đều ở tốc độ cao, đổ vào khuôn, phản ứng tạo bọt sẽ trong vòng 15 giây Sau khi hoàn thành, các mẫu đã được ủ trong 7 d trước khi thử nghiệm. Trong thí nghiệm, chỉ có lượng isocyanate và nước được thay đổi (so với lượng PCDL 100 g), giá trị R là 1. 05, và bọt có lượng nước là g được ghi nhận là SMPUF-a, chẳng hạn như SMPUF-0. 5 có nghĩa là lượng nước là 0,5 g.
1.3 Kiểm tra và đặc tính
Mật độ bọt được kiểm tra theo GB / T 6343-2009; cường độ nén được kiểm tra ở 20 ° C theo phương pháp GB / T 8813-2008.
Điều kiện thử nghiệm DSC: Khí quyển N2, phạm vi nhiệt độ 25 ~ 125 °C, tốc độ sưởi ấm 20 °C / phút.
Kiểm tra hình thái tế bào: Kính hiển vi ánh sáng, 40x, mặt cắt ngang, nhuộm Sulfonylrhodamine B.
Kiểm tra bộ nhớ hình dạng: các mẫu là tất cả các hình khối 25 mm × 25 mm × 25 mm và khoảng cách giữa các vạch đánh dấu là L0; làm nóng các mẫu đến 60 °C (hoặc 80 °C, 100 °C), tác dụng ngoại lực để nén đến 20% và chiều cao thực tế được đánh dấu. Để nguội đến 0 °C, giữ hình dạng trong 10 phút, đặt nó ở nhiệt độ phòng trong 30 phút, đo chiều cao, ghi lại là L2; làm nóng mẫu đến 60 °C (hoặc 80 °C, 100 °C), ghi lại chiều cao thu hồi là L3 và ghi lại thời gian phục hồi lên mức cao nhất Thời gian t cần thiết cho chiều cao. Được tính theo công thức sau:
Tốc độ cố định hình dạng Rf = [(L0-L2) /( L0-L1) ]×100%
Tỷ lệ phục hồi biến dạng Rr = [( L3 - L2 ) / ( L0 - L2 )] × 100%
2 Kết quả và thảo luận
2.1 Ảnh hưởng của liều lượng nước đến cường độ nén của bọt
Trong thí nghiệm này, ảnh hưởng của liều lượng nước đến cường độ nén của SMPUF đã được nghiên cứu và kết quả được thể hiện trong Bảng 1.
Có thể thấy từ Bảng 1 rằng với sự gia tăng hàm lượng nước từ 0,5 g đến 3,0 g, mật độ của SMPUF giảm dần, và cường độ nén đầu tiên tăng lên và sau đó giảm. Điều này là do nước phản ứng với isocyanate để tạo thành các nhóm urê, và một số nhóm urê có thể phản ứng thêm để tạo thành các nhóm biuret. Năng lượng gắn kết của các nhóm urê và nhóm biuret cao hơn so với các nhóm urethane, do đó với sự gia tăng tiêu thụ nước Tuy nhiên, sự gia tăng lượng nước cũng sẽ gây ra nhiều khoảng trống bên trong SMPUF, tăng đường kính của bọt, giảm mật độ của vật liệu, và do đó làm giảm sức mạnh của vật liệu. Do đó, với sự gia tăng tiêu thụ nước, cường độ nén của SMPUF trước tiên tăng lên và sau đó giảm xuống, và giá trị tối đa là 0, 49 MPa.
Ngoài ra, cấu trúc tế bào của mẫu được quan sát bằng kính hiển vi. Khi lượng nước tăng lên, đường kính tế bào trở nên lớn hơn và không đồng đều hơn. Điều này là do khí trong các tế bào chủ yếu bao gồm carbon dioxide được tạo ra bởi phản ứng hóa học của nước và isocyanate [7]. Khi lượng nước tăng lên, khí tăng và mật độ giảm.
2.2 Ảnh hưởng của liều lượng nước đến tính chất nhiệt của bọt
Hình 1 cho thấy phổ DSC của mẫu SMPUF.
Có thể thấy từ Hình 1 rằng với sự gia tăng hàm lượng nước, nhiệt độ nóng chảy phân đoạn mềm (Tm) của SMPUF tăng dần (lần lượt là 37 °C, 43 °C, 47 °C, 50 °C và 54 °C). Điều này là do nhóm urê phân cực hơn nhóm urethane [8] và sự gia tăng lượng nước sẽ dẫn đến sự hình thành nhiều nhóm urê hơn trong SMPUF, điều này sẽ làm tăng sự cản trở steric của sự chuyển động của chuỗi phân tử polymer. Tm tăng.
2.3 Ảnh hưởng của hàm lượng nước đến tính chất bộ nhớ hình dạng của bọt
Bảng 2 cho thấy các thuộc tính bộ nhớ hình dạng của các mẫu SMPUF được điều chế với lượng nước khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau.
Có thể thấy từ Bảng 2 rằng tỷ lệ cố định hình dạng Rf của các mẫu SMPUF được chuẩn bị với liều lượng nước khác nhau ở các nhiệt độ khác nhau đều là 100%; ở cùng nhiệt độ, với sự gia tăng của liều lượng nước, tỷ lệ phục hồi hình dạng Rr và thời gian phục hồi hình dạng t của bọt được tăng lên. Cả hai giảm dần; với sự gia tăng của nhiệt độ, tốc độ phục hồi hình dạng của bọt tăng dần, và thời gian phục hồi hình dạng giảm dần.
PCDL tạo thành phân khúc mềm của SMPUF có tính kết tinh. Sau khi nhiệt độ của SMPUF tăng lên và nhiệt độ được hạ xuống, chuỗi phân tử của đoạn mềm của PCDL được "đông lạnh" với sự giảm nhiệt độ. Do đó, SMPUF này có tỷ lệ cố định hình dạng tốt [9]. Tốc độ phục hồi hình dạng của SMPUF bị ảnh hưởng bởi mật độ bọt. Mật độ càng nhỏ, tỷ lệ nhựa trên một đơn vị thể tích càng nhỏ và hàm lượng phân đoạn cứng càng nhỏ. Do đó, khi nhiệt độ không đổi, hiệu quả phục hồi hình dạng của bọt trở nên tồi tệ hơn với sự gia tăng tiêu thụ nước, 60 Tỷ lệ phục hồi hình dạng của SMPUF-3.0 ở °C, 80 °C và 100 °C lần lượt là 93.2%, 96.0% và 98.0%. Kích thước lỗ rỗng của các tế bào SMPUF càng lớn, sự biến dạng của bộ xương bọt càng lớn, năng lượng lưu trữ càng cao và ứng suất phục hồi chuỗi phân tử càng lớn [10]. Do đó, khi nhiệt độ được cố định, thời gian phục hồi hình dạng của bọt giảm dần theo sự gia tăng tiêu thụ nước. , thời gian phục hồi hình dạng của SMPUF-3.0 ở 60 °C, 80 °C và 100 °C lần lượt là 26 giây, 18 giây và 9 giây.
Cũng có thể thấy từ Bảng 2 rằng tốc độ phục hồi của SMPUF-3.0 tăng lên và thời gian phục hồi hình dạng giảm khi nhiệt độ tăng. Điều này là do nhiệt độ càng cao, phân đoạn phân tử càng thu được nhiều năng lượng, chuyển động của phân đoạn càng mạnh và chuyển động của đoạn mềm và đoạn cứng càng hoàn thiện.
3 Kết luận
(1) Bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng đã được điều chế thành công, tốc độ phục hồi hình dạng và tốc độ cố định hình dạng lên đến 100% (với liều lượng nước là 0,5 g và 1 g), và thời gian phục hồi hình dạng ngắn nhất là 9 giây (liều lượng nước là 3,0 giây). g, nhiệt độ là 100 °C).
(2) Với sự gia tăng hàm lượng nước, mật độ của bọt polyurethane bộ nhớ hình dạng giảm dần, cường độ nén đầu tiên tăng lên và sau đó giảm, và Tm tăng dần.
