پلییورتانها مواد بسیار متنوعی هستند که در کاربردهای مختلفی مانند ترموپلاستیکها، الاستومرها، پوششها و چسبها مورد استفاده قرار میگیرند. این مواد معمولاً استحکام کششی بالاتری نسبت به لاستیکهای طبیعی یا مصنوعی داشته و در عین حال قابلیت کشش بالاتری نسبت به نایلونها یا پلیاسترها از خود نشان میدهند. ساختار پلییورتانها -که شامل یک بخش سخت و یک بخش نرم است- باعث میشود که این مواد ویژگیهای مکانیکی برجستهای داشته باشند. بخش سخت باعث استحکام و سختی میشود، در حالیکه بخش نرم ویژگیهایی همچون انعطافپذیری و بازگشتپذیری را فراهم میآورد.
پلییورتانهای ترموپلاستیک۱ بخش کوچکی از بازار پلییورتانها را تشکیل میدهند، اما از بالاترین عملکرد در خواص فیزیکی و مکانیکی برخوردارند. این مواد معمولاً به صورت کوپلیمرهای بلوکی خطی ساخته میشوند که از واکنش یک ایزوسیانات (TDI یا MDI) با یک پلیال (پلیاستر یا پلیاتر) زنجیرهبلند بدست میآیند. این مواد میتوانند مانند دیگر ترموپلاستیکها تحت فرایندهای انحلال، ذوب و شکلدهی قرار گرفته و به اشکال مختلف ارائه شوند.
چسبهای گرماذوب واکنشپذیر۲ از نظر ساختار شیمیایی با پلییورتانهای ترموپلاستیک مشابهت دارند. این چسبها موادی ترموست هستند که بصورت پیشپلیمرهایی با گروههای عاملی انتهایی ایزوسیانات و از پلیالهای زنجیره بلند سنتز میشوند؛ وجود این گروهها باعث میشود که لایه نازک چسب مذاب در اثر واکنش با رطوبت هوا پخت شده و سختی نهایی چسب حاصل گردد.
در هر دو نوع پلییورتان، خواص مکانیکی نهایی تا حد بسیار زیادی به ویژگیهای پلیال از جمله جرم مولکولی، ترکیب شیمیایی و درصد وزنی آن در فرمولاسیون بستگی دارد. پلیالهای برپایه پلیاستر، پلیاتر، پلیکربنات، دیمر اسید و پلیدیمتیل سیلوکسان از جمله انواع پلیال هستند و گونههای پلیاتری و پلیاستری بیشترین کاربرد را در تولید پلییورتانها دارند. یورتانهای پلیاتری مقاومت هیدرولیتیکی بالایی دارند و انواع پلیاستری مقاومت مکانیکی و پایداری اکسیداسیون بهتری از خود نشان میدهند. در پلییورتانهای پلیاستری حضور باندهای استری موجب هیدرولیز در محیطهای اسیدی و قلیایی شده و به تضعیف خواص مکانیکی در آنها میانجامد. پلیالهای دیمر اسید و پلیدیمتیل سیلوکسان بسیار هیدروفوب بود و در برابر هیدرولیز بسیار مقاوم هستند ولی این ترکیبات عمدتا نرم بوده و در کاربردهایی که به مقاومت کششی بالا و یا تحمل بار زیاد نیاز باشد قابل استفاده نیستند.
نوشتار حاضر، نوع جدیدی از پلییورتانهای برپایه پلیاستر پلیالهای مشتق شده از اسیداکتادکانوئیک (C18) را معرفی میکند. این پلییورتانهای زیستپایه دارای ویژگیهای خاصی مانند میزان هیدروفوبی و الئوفیلی بالا و مقاومت زیاد در برابر تجزیه هیدرولیتیکی هستند. در مقایسه با پلییورتانهای متداول مبتنی بر پلیاسترهای زنجیرهکوتاه، این انواع استحکام و مقاومت بهتری را ارائه دهند.
۱. بخش تجربی
۱.۱ مواد و روشها
در این مطالعه، پلییورتانهای ترموپلاستیک و چسبهای گرماذوب واکنشپذیر از پلیالهای پلیاستری حاصل از دیاسید C18 و دیالهای مختلف سنتز شدهاند. برای انواع ترموپلاستیک، پلیال حاصل از PTMEG و اسید آدیپیک بعنوان مرجع قرار گرفته است؛ سنتز نمونه مرجع برای چسبهای گرماذوب، به کمک پلیال برپایه کاپرولاکتون صورت گرفته است.
جدول ۱ : خصوصیات پلیاسترهای مورد استفاده
پلیال | نقطه ذوب (OC) | عدد هیدروکسیل (mgKOH/g) |
BD-C18 | ۸۲ | ۵۵.۰ |
PG-C18 | ۶۰ | ۵۴.۶ |
DPG-C18 | ۳۵ | ۵۶.۴ |
TPG-C18 | ۱۷ | ۴۸.۵ |
۱.۲ پلییورتانهای ترموپلاستیک
پلییورتانهای ترموپلاستیک برپایه پلیاستر پلیالهای C18، بسته به نوع پلیال با استفاده از روشهای تکمرحلهای و یا دومرحلهای سنتز شدهاند. در سنتز TPUها، ایزوسیاناتهای مختلف مانند متیلندیفنیل دیایزوسیانات (MDI) و دیسیکلوهگزیلمتان دیایزوسیانات (H12MDI) بعنوان جزء ایزوسیانات و بوتاندیال بهعنوان توسعهدهنده زنجیره مورد استفاده گرفتهاند. تمام پلیاستر پلیالها دارای جرم مولکولی g/mole2000 بوده و همگی کریستالی هستند. خواص مکانیکی پلییورتانهای حاصل، با استفاده از آزمونهای استاندارد مانند کشش و سختیسنجی مورد ارزیابی قرار گرفتهاند.
۱.۳ چسبهای گرماذوب واکنشپذیر
پلیاستر پلیالهای مورد استفاده دارای جرم مولکولی g/mole3000 بوده و با استفاده از دیاسید C18 و بوتان دیال۳ سنتز شده است. پلیال برپایه کاپرولاکتون با جرم مولکولی مشابه بعنوان نمونه مرجع مورد استفاده قرار گرفته است. پیشپلیمر با گروههای انتهایی ایزوسیانات از طریق واکنش شیمیایی این پلیاسترها و MDI سنتز شده و برای پخت رطوبتی مطلوب مقدار گروههای ایزوسیانات در آن به دقت کنترل شده است.
۲. نتایج
در خصوص پلییورتانهای ترموپلاستیک، نتایج نشان داده است که کریستالینیتی جزء نرم تأثیر مستقیمی بر خواص حرارتی پلییورتان نهایی داشته و روی سختی نهایی آن نیز اثرگذار است.
جدول ۲: خواص TPUهای تولید شده از پلیاستر پلیالهای C۱۸
TPU | سختی (Shore A) | نقطه ذوب با DSC (OC) | |
بخش نرم | بخش سخت | ||
BD-C18 / MDI | ۹۲-۹۴ | ۶۷ | ۱۶۷ |
PG-C18/H12MDI | ۹۲-۹۴ | ۵۲ | ۱۶۵ |
DPG-C18/MDI | ۹۰ | ۳۶ | ۱۶۶ |
DPG-C18/H12MDI | ۸۸-۹۰ | ۳۵ | ۱۶۷ |
TPG-C18/H12MDI | ۵۲-۵۴ | ۱۵ | ۱۶۶ |
نتایج آزمون مکانیکی کشش برای پلییورتانهای ساخته شده از پلیاستر پلیالهای C18 نشان میدهد که مقاومت مکانیکی به جزء نرم در ترکیب شیمیایی بسیار وابسته است. انواع سنتز شده از پلیاستر پلیالهای BD-C18 و PG-C18 که بخش نرم در آنها نیمه کریستالی است مقاومت کششی و مدول بسیار بالایی دارند، در حالیکه پلییورتانهایی که از پلیالهای DPG-C18 و TPG-C18 تهیه شدهاند، الاستومری بوده و انعطافپذیری بیشتری دارند. نمونه برپایه TPG-C18 بسیار لاستیکی بوده و میزان افزایش ۱۲۰۰% داشته است. این نتایج نشان میدهد که با استفاده از پلیاستر پلیالهای C18 میتوان پلییورتانهایی با خواص مختلف، از قوی و سفت۴ تا نرم و الاستومری تهیه کرد.
پلییورتانهای ترموپلاستیک برپایه C18 در مقایسه با پلییورتانهای متداول برپایه پلیاستر و پلیاتر جذب آب پایینتری داشته و مقاومت خوبی در برابر محیطهای قلیایی دارند. این ویژگیها، پلییورتانهای C18 را برای استفاده در محیطهای سخت و در برابر مواد شیمیایی مناسب میسازد.
مطالعه بیشتر: پلیاتر پلیالهای نوآورانه برپایه مواد زیستسازگار
چسبهای گرماذوب واکنشپذیر تهیه شده از پلیاستر پلیالهای C18، در مقاومت کششی اولیه و مقاومت کششی۵ در حالت پخت شده، افزایش قابل توجهی را در مقایسه با چسبهای گرماذوب متداول برپایه پلیالهای کاپرولاکتون از خود نشان دادهاند. این چسبها در آزمونهای چسبندگی بر روی سطوح آلومینیومی، استحکام اولیه (قبل از پخت کامل) و استحکام پس از پخت بیشتری داشتهاند؛ بعنوان مثال فرمولاسیونهای BD-C18/MDI قدرت چسبندگی ۳.۵ برابر بالاتری نسبت به فرمولاسیونهای CAPA/MDI نتیجه داده است.
۳. جمع بندی
طبق نتایج مطالعات، پلییورتانهای برپایه پلیاستر پلیالهای C18 بعنوان یک کلاس جدید از مواد با ویژگیهای ممتاز برای استفاده در ترموپلاستیکها و ترموستها معرفی شدهاند. TPU و HMAهای سنتز شده، با توجه به ساختار پلیال بکار رفته طیف وسیعی از خواص مکانیکی از ماده سفت و چقرمه تا مواد الاستومری نرم را نشان دادهاند. این پلییورتانها خواصی چون جذب آب کم، مقاومت عالی در برابر محیط قلیایی و مقاومت کششی زیاد را ارائه میدهند؛ چنین خصوصیاتی آنها را به گزینهای ایدهآل برای بسیاری از کاربردهای صنعتی از جمله قطعات خودرو، پوششها و چسبهای صنعتی تبدیل میکند. همچنین، استفاده از پلیالهای برپایه دیاسید C18، یک جزء زیستتجدیدپذیر را در فرمولاسیون پلییورتان وارد کرده و عملکرد بالا و اثرات زیستمحیطی کمتر را فراهم میآورد.
این تحقیق نشان میدهد که پلیاورتانهای مبتنی بر پلیالهای پلیاستری C18 میتوانند جایگزین مناسبی برای پلیاورتانهای سنتی مبتنی بر مواد نفتی باشند و کاربردهای نوآورانهای در صنایع مختلف ایجاد کنند.
Thermoplastic Polyurethane (TPU)
Reactive Polyurethane Hotmelt Adhesive (HMA or HMPUR)
Butane diol (BD)
Stiff
Green Strength
۴. مراجع
- Allyson Buehler, Polyurethanes Technical Conference, October 5-7, 2015, Orlando
- Allyson Buehler, PCI Magazine, April 2016
- Randall, D.; Lee, S. The Polyurethane Handbook 2002, John Wiley and Sons.
- Bueno-Ferrer, C.; Hablot, E.; Garrigos, M.; Bocchini, S.; Averous, L.; Jimenez, A. Polymer Degradation and Stability (2012), 97(10), 1964-1969.
- Liu, X.; Xu, K.; Liu, H.; Cai, H.; Fu, Z.; Guo, Y.; Chen, M. Macromolecular Research (2012), 20(6), 642-649.
- US Patent Number 8,933,285 1/13/15, Luetkens et al.
- Beuhler, A. Thermoplastic Polyurethanes from Renewable Long Chain Diacids, presented at CPI 2014, September 23, 2014.
- Beuhler, A.; Bertin, P.; Mody, K.; Tindall, D. Polyurethanes from Renewable, Long Chain Diacids, presented at UTECH 2015, April 14, 2015 Utech presentation.
- Szycher, M. Szychers Handbook of Polyurethanes, 2013, CRC Press, pp. 409.
بدون دیدگاه