Polyurethane là gì?
Cái gọi là polyurethane là tên viết tắt của polyurethane, được hình thành bởi phản ứng của polyisocyanate và polyol, và chứa nhiều nhóm urethane (-NH-CO-O-) lặp lại trong chuỗi phân tử. Trong nhựa polyurethane tổng hợp thực tế, ngoài nhóm urethane, còn có các nhóm như urê và biuret. Polyols là các phân tử chuỗi dài với các nhóm hydroxyl ở cuối, được gọi là "phân đoạn mềm", và polyisocyanat được gọi là "phân đoạn cứng".
Trong nhựa polyurethane được tạo ra bởi các phân đoạn cứng và mềm, urethane chỉ là một thiểu số, do đó không nhất thiết phải gọi nó là polyurethane. Theo nghĩa rộng, polyurethane là một polyme bổ sung của isocyanate.
Các loại isocyanat khác nhau phản ứng với các hợp chất polyhydroxy để tạo thành polyurethane có cấu trúc khác nhau, do đó thu được các vật liệu polyme có các đặc tính khác nhau, chẳng hạn như nhựa, cao su, lớp phủ, sợi, chất kết dính, v.v. Cao su polyurethane
Cao su polyurethane lần đầu tiên được phát triển thành công ở Đức vào năm 1940, và nó được đưa vào sản xuất công nghiệp sau năm 1952, trong khi đất nước của tôi đã được phát triển và đưa vào sản xuất vào giữa -1960 s. Cao su polyurethane thuộc loại cao su đặc biệt, được điều chế bằng phản ứng của polyete hoặc polyester với isocyanate. Có nhiều giống do các loại nguyên liệu, điều kiện phản ứng và phương pháp liên kết chéo khác nhau. Về cấu tạo hóa học thì có loại polyester và loại polyete, còn về phương pháp xử lý thì có ba loại: loại trộn, loại đúc và loại nhựa nhiệt dẻo.
Cao su polyurethane tổng hợp thường được sản xuất bằng cách cho phản ứng polyester hoặc polyether mạch thẳng với diisocyanate để tạo thành prepolyme có trọng lượng phân tử thấp. Sau phản ứng kéo dài chuỗi, một polyme phân tử cao được hình thành, và sau đó một chất liên kết ngang thích hợp được thêm vào để đun nóng nó. Được đóng rắn để trở thành cao su lưu hóa, phương pháp này được gọi là phương pháp tiền trùng hợp hoặc phương pháp hai bước.
Cũng có thể sử dụng phương pháp một bước — polyester hoặc polyether mạch thẳng được trộn trực tiếp với diisocyanate, chất kéo dài chuỗi và chất liên kết chéo, để phản ứng xảy ra tạo ra cao su polyurethane.
Cao su polyurethane nhiệt dẻo (TPU)
Cao su polyurethane nhiệt dẻo là một polyme mạch thẳng khối n loại (AB), A đại diện cho polyeste hoặc polyete có khối lượng phân tử cao (khối lượng phân tử 1000-6000), được gọi là chuỗi dài, B đại diện cho 2-12 cacbon mạch thẳng. Điol nguyên tử là một chuỗi ngắn, và liên kết hóa học giữa các đoạn AB là diisocyanat.
Mối quan hệ giữa cấu trúc và tính chất vật lý của TPU
1. Cấu trúc phân đoạn
Phân đoạn A trong phân tử TPU làm cho chuỗi đại phân tử dễ quay, tạo cho cao su polyurethane đàn hồi tốt, làm giảm điểm hóa mềm và điểm chuyển tiếp thứ cấp của polyme, đồng thời giảm độ cứng và độ bền cơ học. Phân đoạn B sẽ liên kết chuyển động quay của chuỗi đại phân tử, do đó, điểm hóa mềm và điểm chuyển tiếp thứ cấp của polyme được tăng lên, tăng độ cứng và độ bền cơ học, giảm độ đàn hồi. Bằng cách điều chỉnh tỷ lệ mol giữa A và B, các TPU có các tính chất cơ học khác nhau có thể được điều chế.
2. Cấu trúc liên kết chéo
Ngoài liên kết ngang sơ cấp, cấu trúc liên kết ngang của TPU cũng phải xem xét liên kết ngang thứ cấp được hình thành bởi các liên kết hydro giữa các phân tử. Liên kết ngang chính của polyurethane khác với cấu trúc lưu hóa của cao su hydroxy, và nhóm urethane, biuret, nhóm allophanate và các nhóm khác của nó thường xuyên và cách nhau thành các phân đoạn cứng, do đó, cao su thu được có cấu trúc mạng lưới đều đặn, vì vậy nó có khả năng chống mài mòn tuyệt vời và các đặc tính tuyệt vời khác.
Thứ hai, do cao su polyurethane chứa nhiều nhóm như nhóm urê hoặc nhóm uretan có năng lượng liên kết lớn nên các liên kết hydro hình thành giữa các chuỗi phân tử có độ bền cao, và liên kết ngang thứ cấp được hình thành bởi các liên kết hydro cũng có ảnh hưởng quan trọng đến tính chất của cao su polyurethane. Liên kết ngang thứ cấp làm cho cao su polyurethane một mặt có các đặc điểm của chất đàn hồi nhiệt rắn, mặt khác, liên kết ngang không thực sự là liên kết ngang, nó là liên kết chéo ảo và liên kết ngang trạng thái phụ thuộc vào nhiệt độ.
Khi nhiệt độ tăng lên, liên kết chéo này dần dần yếu đi và biến mất, đồng thời polyme có tính lưu động nhất định và có thể được xử lý nhiệt dẻo. Khi hạ nhiệt độ, liên kết ngang này dần dần được phục hồi và hình thành trở lại. Việc bổ sung một lượng nhỏ chất độn làm tăng khoảng cách giữa các phân tử, khả năng hình thành liên kết hydro giữa các phân tử bị suy yếu, và độ bền sẽ giảm mạnh.
3. Sự ổn định của nhóm
Nghiên cứu cho thấy thứ tự ổn định của từng nhóm trong cao su polyurethane từ cao đến thấp là: ester, ether, urê, urethane, biuret. Trong quá trình lão hóa cao su polyurethane, đầu tiên là nhóm biuret và urê Các liên kết chéo formate bị phân cắt, tiếp theo là liên kết urethane và urê, tức là chuỗi chính bị phân cắt.
Tính chất của cao su polyurethane
Mô đun đàn hồi của TPU là giữa cao su và nhựa. Đặc điểm lớn nhất của nó là có cả độ cứng và độ đàn hồi, điều này không có ở các loại cao su và nhựa khác.
TPU được chia thành hai loại: loại polyester và loại polyether. So với các tính chất vật lý, loại polyester có hiệu suất tốt hơn đối với cao su có độ cứng thấp, trong khi loại polyete tốt hơn đối với cao su có độ cứng cao. Cao su polyester có khả năng chịu dầu, chịu nhiệt và bám dính tốt hơn với kim loại, trong khi loại polyete tốt hơn cho khả năng chống thủy phân, chịu lạnh và tính kháng khuẩn.
1. Đặc điểm môi trường
TPU nói chung có khả năng chịu nhiệt độ tốt, nhiệt độ để sử dụng liên tục trong thời gian dài là 80 đến 90 độ, và nó có thể đạt khoảng 120 độ trong thời gian ngắn. Khả năng chịu nhiệt độ thấp của polyurethane cũng tốt. Nhiệt độ giòn của polyester polyurethane là -40 độ C, trong khi polyether polyurethane là -70 ~ -80 độ C, nhưng nó sẽ trở nên cứng ở nhiệt độ thấp.
Khả năng chống dầu của TPU tương đối tốt, nhưng khả năng chống nước khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc. Sự suy giảm nghiêm trọng nhất của TPU là do sự thuận nghịch của phản ứng tạo thành este. Khi este tiếp xúc với nước, sự biến đổi của axit gây ra phản ứng tự xúc tác dẫn đến sự phân hủy của phân tử. Polyester uretan phân hủy nhiều hơn khi tiếp xúc với hơi ẩm trong không khí hơn là khi ngâm hoàn toàn trong nước. Điều này là do khi ngâm trong nước, axit hình thành liên tục bị rửa trôi.
Khả năng chống thủy phân của polyete polyurethane gấp 3 đến 5 lần polyurethane polyeste, vì nhóm ete sẽ không phản ứng với nước.
Có hai lý do tại sao sự xâm nhập của nước dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của polyurethane: một là do nước xâm nhập tạo thành liên kết hydro với các nhóm phân cực trong polyurethane, điều này làm suy yếu liên kết hydro giữa các phân tử polyme. Quá trình này có thể đảo ngược. Sau khi các thuộc tính vật lý được phục hồi.
Thứ hai là nước xâm nhập sẽ thủy phân polyurethane, không thể đảo ngược.
Polyurethane sẽ mất màu và sẫm màu khi tiếp xúc với ánh sáng mặt trời kéo dài, đồng thời các đặc tính vật lý của nó sẽ giảm dần. Vi khuẩn enzyme cũng có thể dẫn đến sự phân hủy polyurethane, vì vậy chất chống oxy hóa, chất hấp thụ tia cực tím, chất chống enzyme, vv được thêm vào cao su polyurethane được sử dụng trong sản xuất công nghiệp.
2. Cơ tính
Độ bền kéo: Độ bền kéo của cao su polyurethane tương đối cao, thường đạt 28 đến 42 MPa, và TPU ở giữa, khoảng 35 MPa.
Độ giãn dài: thường lên đến 400 đến 600, tối đa là 1000 phần trăm.
Tính đàn hồi: Tính đàn hồi của polyurethane tương đối cao, nhưng tổn thất từ trễ của nó cũng tương đối lớn, do đó, khả năng sinh nhiệt cao. Nó dễ bị hư hỏng trong điều kiện chịu tải của uốn nhiều lần và lăn tốc độ cao.
Độ cứng: Phạm vi độ cứng của polyurethane rộng hơn so với các loại cao su khác, thấp nhất là độ cứng Shore 10, và hầu hết các sản phẩm có độ cứng từ 45 đến 95. Khi độ cứng cao hơn 70 độ, độ bền kéo và độ giãn dài cố định là cao hơn so với cao su thiên nhiên. Khi độ cứng là 80 đến 90 độ, độ bền kéo, độ giãn dài cố định và độ bền xé khá cao.
Độ bền xé: Độ bền xé của polyurethane tương đối cao. Khi nhiệt độ thử nghiệm tăng lên 100-110 độ, độ bền xé rách tương đương với độ bền xé rách của cao su styren-butadien.
Khả năng chống mài mòn: Độ bền mài mòn của polyurethane rất tốt, cao gấp 9 lần so với cao su tự nhiên và cao hơn từ 1 đến 3 lần so với cao su styren-butadien
Yêu cầu xử lý
TPU có đặc tính kép của nhựa và cao su. Chính đặc điểm vật lý và hóa học độc đáo này đòi hỏi chúng tôi phải được xử lý đặc biệt trong thiết kế khuôn và ép phun.
Thiết kế khuôn mẫu:
1. Thiết kế của Á hậu:
Do sprue là nơi có áp suất cao nhất nên khi áp suất phun được giải phóng, nước ngưng tụ trong sprue sẽ tăng lực cản do hiện tượng giãn nở đàn hồi sẽ làm cho vòi phun dính vào khuôn trước. Do đó, độ dốc đổ khuôn của sprue nên được tăng lên càng nhiều càng tốt khi thiết kế khuôn. . Kích thước của đầu nhỏ của sprue không được nhỏ hơn đường kính của vòi phun của máy ép phun. Việc tăng kích thước của đầu lớn đòi hỏi thêm thời gian làm mát và kéo dài chu kỳ phun. Do đó, sự gia tăng của độ dốc xuống chủ yếu được thực hiện bằng cách rút ngắn chiều dài của sprue.
Trong trường hợp bình thường, đường kính của đầu nhỏ của kênh chính là khoảng 2,5 đến 3. 0 mm, đường kính của đầu lớn nhỏ hơn 6. 0 mm và chiều dài không được vượt quá 40 mm. Ở cuối kênh chính, cần đặt một giếng lạnh có cùng đường kính hoặc lớn hơn một chút với đầu lớn để thu keo nguội và khóa cửa xả nước.
Đường kính của người chạy phải phụ thuộc vào cấu trúc của sản phẩm và chiều dài của người chạy. Nói chung, nó không được nhỏ hơn 4. 0 mm. Kênh shunt sử dụng hình tròn để có được hiệu quả làm mát tốt hơn.
2. Thiết kế cổng:
Do tính lưu động kém của TPU, chiều sâu và chiều rộng của cổng phải lớn hơn so với các vật liệu nhiệt dẻo khác để tránh sự không nhất quán giữa co ngót bên và dọc gây ra bởi sự phun và định hướng phân tử của chất keo đi qua cổng , trong khi kích thước chiều dài Nó nhỏ hơn kích thước thông thường để tạo điều kiện cho chất keo đi qua. Cổng quá lâu sẽ làm cho chất keo bị đẩy ra trong quá trình chiết rót, ảnh hưởng đến hình thức bên ngoài của sản phẩm. Cần tránh càng nhiều càng tốt các cổng ghim có thể gây ra hiện tượng cắt quá mức và sinh nhiệt của vật liệu.
3. Thiết kế rãnh thoát khí:
Khí thải của khuôn phải đủ để sản phẩm không bị cháy xém, đặc biệt khi hướng đổ đầy của vật liệu cao su thay đổi mạnh và phần cuối cùng của sản phẩm được đổ đầy, đặc biệt chú ý đến việc lắp đặt ống xả. Độ sâu của rãnh xả cần được phân biệt theo loại TPU. Đôi khi độ sâu của rãnh xả chỉ là 0. 01mm, và một đường viền sẽ được tạo ra ở rãnh xả, có mối quan hệ quan trọng với các đặc tính vật liệu đặc biệt của TPU.
4. Thiết kế hệ thống làm mát:
Hiệu quả làm mát của khuôn tốt hơn. Đối với các vật liệu nhựa nhiệt dẻo khác, miễn là lớp đông lạnh trên bề mặt sản phẩm có đủ độ bền trong quá trình ép phun, sản phẩm có thể được đẩy ra và đóng rắn ở nhiệt độ cao hơn. Đối với TPU, khi nhiệt độ cao, các liên kết hydro giữa các phân tử không được phục hồi, và độ bền kéo của sản phẩm thấp. Việc đẩy và đổ cưỡng bức sẽ chỉ dẫn đến sự biến dạng của sản phẩm. Chìa khóa được khôi phục hoàn toàn và TPU chỉ có thể được bán lại khi TPU có đủ độ bền, điều này đòi hỏi hiệu quả làm mát của khuôn phải tốt hơn.
5. Xác định tỷ lệ co ngót:
Tỷ lệ co ngót của TPU thay đổi rất nhiều tùy theo nhãn hiệu TPU được sử dụng, độ dày và cấu trúc của sản phẩm cũng như nhiệt độ và áp suất trong quá trình ép phun và phạm vi của nó là từ {{0}}. 1 phần trăm đến 2,0 phần trăm . Khi thiết kế khuôn, không chỉ nên tham khảo số liệu về tỷ lệ co rút của nguyên liệu mà còn theo cấu trúc và độ dày của sản phẩm để ước tính nhiệt độ và áp suất phun cần sử dụng trong quá trình ép phun và đưa ra các hiệu chỉnh thích hợp. Đối với các sản phẩm có vị trí kết dính cục bộ dày hơn, áp lực cần thiết cho quá trình ép phun lớn hơn, và tỷ lệ co ngót của sản phẩm đúc nhỏ hơn, do đó cần phải giảm tỷ lệ co ngót của TPU. Đối với những sản phẩm có vị trí keo tương đối đồng đều và sản phẩm dày thì nên tăng giá trị tỷ lệ co ngót một cách thích hợp.
Xử lý tiêm
1. Làm khô nguyên liệu Vì sự xâm nhập của hơi ẩm có thể làm suy giảm TPU
Khi độ ẩm của TPU vượt quá 0. 2 phần trăm, không chỉ hình thức bên ngoài của sản phẩm bị ảnh hưởng mà các tính chất cơ học cũng bị giảm sút rõ ràng và sản phẩm đúc phun có độ đàn hồi kém và độ bền thấp. Vì vậy, nó nên được làm khô ở nhiệt độ 80 độ đến 110 độ trong 2 đến 3 giờ trước khi ép phun.
2. Làm sạch thùng
Thùng của máy ép phun nên được làm sạch, và trộn lẫn rất ít nguyên liệu thô khác sẽ làm giảm độ bền cơ học của sản phẩm. Các thùng được làm sạch bằng ABS, PMMA và PE nên được làm sạch lại bằng vật liệu đầu phun TPU trước khi ép phun, và vật liệu còn sót lại trong thùng phải được loại bỏ bằng vật liệu đầu phun TPU.
3. Kiểm soát nhiệt độ chế biến
Nhiệt độ xử lý của TPU có tác động quan trọng đến kích thước, hình dáng và biến dạng cuối cùng của sản phẩm. Nhiệt độ phụ thuộc vào loại TPU được sử dụng và các điều kiện cụ thể của thiết kế khuôn. Xu hướng chung là để có được tỷ lệ co ngót nhỏ, cần tăng nhiệt độ xử lý; để có được tỷ lệ co rút lớn, nhiệt độ xử lý cần phải được hạ xuống. Ngay cả trong phạm vi nhiệt độ xử lý thông thường của TPU, nếu nguyên liệu thô ở trong thùng quá lâu, nó sẽ dẫn đến sự phân hủy nhiệt của TPU và vật liệu dư trong thùng nên được làm trống trước khi ép phun. Việc kiểm soát nhiệt độ đầu phun cũng rất quan trọng. Trong trường hợp bình thường, nó phải cao hơn khoảng 5 độ so với nhiệt độ của đầu trước của thùng.
4. Kiểm soát tốc độ và áp suất phun
Tốc độ phun thấp hơn và thời gian dừng lâu hơn sẽ tăng cường định hướng phân tử, và mặc dù kích thước sản phẩm nhỏ hơn có thể thu được, nhưng độ biến dạng của sản phẩm sẽ lớn hơn, và sự khác biệt giữa độ co ngang và dọc sẽ lớn. Áp suất giữ lớn cũng sẽ làm cho chất keo bị nén quá mức trong khuôn, và kích thước của sản phẩm sau khi phân khuôn lớn hơn kích thước của lòng khuôn.
5. Kiểm soát tốc độ tan chảy và áp suất ngược
Vật liệu TPU nhạy cảm hơn với cắt. Khi nhiệt cắt tạo ra bởi tốc độ nóng chảy cao và áp suất ngược quá cao, nó sẽ dẫn đến sự suy giảm nhiệt của TPU. Do đó, tốc độ thấp hoặc trung bình thường được sử dụng để làm tan chảy TPU. Nếu chu kỳ ép phun dài, nên sử dụng chức năng nấu chảy chậm và việc mở khuôn sẽ bắt đầu sau khi nấu chảy xong, để tránh nguyên liệu thô ở trong thùng quá lâu và biến chất.
