ساختار و خواص فوم پلی یورتان فلکسیبل با نانو و میکرو فیلرها

فوم های پلی یورتان فلکسیبل (PU ) در مبلمان، اتومبیل و بسته بندی استفاده می شوند. فوم‌های PU فلکسیبل قالب‌گیری شده بر پایه پلی‌ال‌های پتروشیمیایی با وزن مولکولی ۴۰۰۰ تا ۶۰۰۰ و پلی‌ال‌های کوپلیمری (CPPs ) حاوی ذرات پلیمری اندازه میکرون هستند. ذرات پلیمری خواص تحمل بار فوم ها را افزایش داده و ادعا می شود که به افزایش محتوای سلول باز کمک می کنند. این مطالعه امکان جایگزینی CPP با پرکننده های نانو را بررسی می کند. برای مقایسه از پرکننده های اندازه میکرون نیز استفاده شده است. پرکننده های معدنی افزودنی هایی با مدول بالا بوده که گاهی اوقات به عنوان عوامل تقویت کننده در مواد پلیمری استفاده می شوند. در فوم های PU نقش آن ها بسیار پیچیده تر است. آن ها می توانند بر واکنش شیمیایی تشکیل PU، هندسه ماکروسکوپی سلول یا برهمکنش با سگمنت های نرم و سخت فوم های فلکسیبل تأثیر بگذارند. گروه های عاملی روی سطح پرکننده می توانند با ایزوسیانات واکنش داده و تعادل را در واکنش ایزوسیانات-پلی ال تغییر دهند. در غلظت‌های بالاتر، ویسکوزیته مخلوط واکنش را افزایش داده و بر رشد سلولی و فرآیند باز شدن سلول و در نتیجه بر هندسه سلول تأثیر می‌گذارند. می توان انتظار داشت که پرکننده های اندازه نانو با سطح بسیار بزرگ در واحد حجم بر خواص فوم PU بسیار بیشتر از پرکننده های با اندازه میکرو تأثیر بگذارند. ساختار یک فوم فلکسیبل PU نتیجه چندین واکنش شیمیایی همزمان است: تشکیل یورتان از طریق واکنش ایزوسیانات و گروه هیدروکسیل و تشکیل اوره و دی اکسید کربن از واکنش آب و ایزوسیانات. دی اکسید کربن به عنوان یک عامل فوم زا بر اندازه سلول تاثیر می گذارد. فرآیند فوم سازی را می توان به چند مرحله تقسیم کرد: اختلاط مونومرها و تشکیل هسته حباب، افزایش کف مایع، جداسازی فاز که منجر به افزایش سریع مدول، باز شدن سلول و تشکیل ماتریس می شود. مورفولوژی عمومی پذیرفته شده ماتریس PU slabstock فلکسیبل TDI شامل فاز سگمنت نرم، سگمنت های سخت که فاز میکرو نامیده می شوند و واحدهای ساختاری بزرگ به نام “توپ های اوره” یا ماکروفاز یا رسوبات است. مطالعات تأثیر ساختار پلی‌ال و گسترش‌دهنده‌های زنجیره‌ای بر مورفولوژی سگمنت‌های سخت نشان داد که رسوب‌های ماکروفاز بزرگ‌تر در فوم‌های PU با انعطاف‌پذیری بالا وجود ندارند، زمانی که دی‌اتانول آمین با پلی‌ال‌های دارای اکسید اتیلن با وزن مولکولی بالا استفاده می‌شود. اندازه ریز دامنه‌ها تقریباً ۳ تا ۶ نانومتر با فاصله بین دامنه‌ها حدوداً ۷-۱۲ نانومتر است. سگمنت های سخت به دلیل پیوند هیدروژنی به روش خاصی سازماندهی می شوند. نشان داده شده است که تغییر اندازه و غلظت آن ها تأثیر عمیقی بر خواص کلی فوم ها دارد.
نانو ذرات ریز وارد شده به ماتریس در سراسر ماتریس پلیمری همراه با سگمنت های سخت پلی اوره پراکنده می شوند. آن ها بر شکل و اندازه سگمنت‌های سخت، تحرک سگمنت‌های نرم و انعطاف‌پذیری و مدول کلی ماتریس پلیمری تأثیر می‌گذارند. نرم شدن یا سخت شدن فوم ها به فعالیت سطحی پرکننده ها و نحوه تعامل آن ها با سگمنت های نرم و تغییر ترتیب سگمنت های سخت بستگی دارد. اگر توانایی اوره برای تشکیل پیوند هیدروژنی دوتایی را کاهش دهند، مدول و سفتی فوم کاهش می‌یابد، یعنی به عنوان نرم‌کننده عمل می‌کنند. برهمکنش بخش‌های اوره قطبی با نانو پرکننده‌های آبدوست می‌تواند تحرک سگمنت‌های سخت را با افزایش مدول و سفتی به روشی مشابه پیوند هیدروژنی دوتایی کاهش دهد. مشخص شده است که نانو پرکننده‌ها بر تثبیت و رشد سلول‌های فوم، فرآیند باز شدن سلول ها و مورفولوژی آن ها و در نتیجه خواص فیزیکی و مکانیکی فوم‌ها تأثیر می‌گذارند. ویسکوزیته بالاتر ماتریس پلیمری با پرکننده ها باعث ضخیم تر شدن دیواره سلولی و کاهش محتوای سلول باز می شود.
فوم‌های فلکسیبل قالب‌گیری شده معمولاً از تری ال‌های پلی پروپیلن اکسید-پلی اتیلن اکسید با وزن مولکولی بالاتر و تولوئن دی ایزوسیانات ساخته می‌شوند. اثر تقویت کننده از ذرات پلی استایرن-پلی اکریلونیتریل با مدول بالا به دست می آید. ما در نظر گرفتیم که اثر مشابهی را می‌توان با افزودن نانو پرکننده‌ها به دست آورد، که با اثر تقویت‌کنندگی‌شان در پلاستیک یا PU شناخته می‌شوند. پرکننده‌های نانو با پلی‌ال‌ها سازگار بوده و پراکندگی‌های پایداری را ایجاد می‌کنند که پیش‌شرط مهمی برای کاربرد آن‌ها در فوم‌های PU است. هدف از این مطالعه بررسی امکان‌سنجی جایگزینی ذرات کوپلیمر با نانو پرکننده‌ها و آزمایش اثر آن ها بر باز شدن سلول، ساختار سلولی و خواص فوم‌های یورتان فلکسیبل قالب‌گیری شده بود. علاوه بر این، پرکننده‌های اندازه میکرون با ترکیب شیمیایی مشابه با پرکننده‌های نانو به منظور مشاهده اثرات اندازه ذرات مورد آزمایش قرار گرفتند.

خواص مکانیکی فوم:

تحمل بار فوم ها در بسیاری از کاربردها و به ویژه در صندلی های اتومبیل مهم است. همه پرکننده ها، CFD را افزایش دادند اما Cloisite Na+ قوی ترین اثر را نشان داد و به دنبال آن نانو سیلیس قرار گرفت، در حالی که Cloisite 10A آن را کاهش داده است. بنابراین، برخی از پرکننده های نانو در افزایش خواص باربری فوم ها موثر هستند. همچنین، با توجه به هزینه، می توان میکروپرکننده ها را توصیه نمود. میکرو خاک رس و میکرو سیلیس تأثیر معنی داری بر خاصیت ارتجاعی نشان ندادند. Cloisite 10A باعث کاهش شدید آن شد، اما نانوسیلیکا و Cloisite Na+ به طور قابل توجهی خاصیت ارتجاعی را بهبود بخشیدند. پیش‌بینی می‌شود که برهمکنش‌های خاص با بخش‌های اوره قطبی نقش داشته باشند. اثرات نوع پرکننده و غلظت بر مقاومت کششی و پارگی فوم ها در شکل های ۱و ۲ ارائه شده است.

ساختار و خواص فوم پلی یورتان فلکسیبل با نانو و میکرو فیلرها

شکل ۱: وابستگی استحکام کششی به غلظت پرکننده.

ساختار و خواص فوم پلی یورتان فلکسیبل با نانو و میکرو فیلرها

شکل ۲: وابستگی قدرت پارگی فوم ها به غلظت پرکننده.


میکرو سیلیس و میکرو خاک رس اندکی بر استحکام کششی و پارگی فوم‌ها حتی در غلظت ۳۰ درصد تأثیر گذاشتند. نانو سیلیس استحکام کششی و پارگی را افزایش داد، اما پرکننده نانورس، Cloisite Na+ و 10A، باعث کاهش شدید مقاومت شدند. نانو سیلیس دارای یک کلوئید محافظ حاوی هیدروکسیل بر روی سطح خود است که ممکن است با ایزوسیانات ها پیوند یورتان ایجاد کند و اساساً بخشی از شبکه می شود. دو پرکننده نانورس معمولاً اثرات معکوس بر سایر خواص داشتند، اما هر دو تأثیر منفی بر مقاومت کششی و پارگی دارند. ازدیاد طول در هنگام شکست توسط تمام پرکننده ها کاهش یافت. بیشترین افت توسط پرکننده های نانورس ایجاد شد.( شکل ۳) تنها کاهش جزئی با نانو سیلیس مشاهده شد.

ساختار و خواص فوم پلی یورتان فلکسیبل با نانو و میکرو فیلرها

شکل ۳: وابستگی ازدیاد طول در هنگام شکستن فوم ها به غلظت پرکننده


مانایی فشاری در فوم ها یک ویژگی نامطلوب است. این نشان دهنده تغییر شکل دائمی یک نمونه پس از اعمال تنش فشاری برای یک دوره زمانی معین در دمای بالا است. شکل ۴ نشان می‌دهد که فوم‌های دارای پرکننده‌های نانویی دارای مانایی فشاری بسیار بالاتری هستند، به‌ویژه فوم‌های پرشده با نانورس.

ساختار و خواص فوم پلی یورتان فلکسیبل با نانو و میکرو فیلرها

شکل ۴: وابستگی مانایی فشاری به غلظت پرکننده.


جایگزینی پلی‌ال‌های CPP با نانو پرکننده‌های مورد استفاده در این مطالعه ممکن است در درجه اول به دلیل افزایش شدید مانایی فشاری امکان‌پذیر نباشد. با این حال، نانو رس( Cloisite Na+ و مونتموریلونیت اصلاح نشده) و نانو سیلیس استحکام فشاری و ارتجاعی فوم ها را افزایش می دهند (اما مقاومت پارگی و کششی و همچنین ازدیاد طول را کاهش می دهند) و جریان هوا را بهبود نمی بخشند. نانو رس 10A مدول، سختی و استحکام فشاری را کاهش دادند. استحکام کششی، قدرت پارگی و ازدیاد طول با هر دو پرکننده کاهش یافته است. میکرو پرکننده ها به طور قابل توجهی نظم سگمنت های سخت و مورفولوژی فوم ها را تغییر ندادند. آن ها چگالی، سختی و استحکام فشاری را نسبتاً افزایش داده، ازدیاد طول را در هنگام شکست کاهش دادند و عملاً روی سایر خواص تأثیری نداشتند و ممکن است انتخاب بهتری برای جایگزینی CPP باشند، اگرچه به دلیل چگالی بالا و اندازه ذرات بزرگ تمایل به ته نشین شدن در طول ذخیره سازی دارند.

برای مطالعه بیشتر در رابطه با انواع محصولات پلی یورتانی، بخش مقالات وب سایت را بررسی فرمایید.

بدون دیدگاه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *