מה זה פוליאוריטן?
מה שנקרא פוליאוריטן הוא קיצור של פוליאוריטן, שנוצר בתגובה של פוליאיזוציאנט ופוליול, ומכיל קבוצות אורטן רבות (-NH-CO-O-) בשרשרת המולקולרית. בשרף הפוליאוריתן הסינטטי בפועל, בנוסף לקבוצת האוריתן, ישנן גם קבוצות כמו אוריאה וביורטה. פוליאולים הם מולקולות ארוכות שרשרת עם קבוצות הידרוקסיל בקצהן, הנקראות "מקטעים רכים", ופוליאיזוציאנטים נקראים "מקטעים קשים".
בשרף הפוליאוריטני שנוצר מהמקטעים הרכים והקשים, האוריתן הוא רק מיעוט, ולכן לא בהכרח ראוי לקרוא לו פוליאוריטן. במובן הרחב, פוליאוריטן הוא פולימר תוספת של איזוציאנט.
סוגים שונים של איזוציאנטים מגיבים עם תרכובות פוליהידרוקסיות ליצירת פוליאוריטן של מבנים שונים, ובכך מקבלים חומרים פולימריים בעלי תכונות שונות, כגון פלסטיק, גומיות, ציפויים, סיבים, דבקים וכו'. גומי פוליאוריטן
גומי פוליאוריטן פותח בהצלחה לראשונה בגרמניה בשנת 1940, והוא הוכנס לייצור תעשייתי לאחר 1952, בעוד שהמדינה שלי פותחה והוכנסה לייצור באמצע ה-1960. גומי פוליאוריטן שייך לסוג של גומי מיוחד, המוכן על ידי תגובה של פוליאתר או פוליאסטר עם איזוציאנט. ישנם זנים רבים בשל סוגים שונים של חומרי גלם, תנאי תגובה ושיטות צולבות. מבחינת המבנה הכימי ישנם סוג פוליאסטר וסוג פוליאתר, ומבחינת שיטת העיבוד ישנם שלושה סוגים: סוג ערבוב, סוג יציקה וסוג תרמופלסטי.
גומי פוליאוריטן סינטטי מיוצר בדרך כלל על ידי תגובה של פוליאסטר ליניארי או פוליאתר עם דיאיזוציאנט כדי ליצור פרה-פולימר במשקל מולקולרי נמוך. לאחר תגובת הארכת השרשרת, נוצר פולימר מולקולרי גבוה, ולאחר מכן מתווסף חומר צולב מתאים כדי לחמם אותו. שיטה זו, שנרפאה כדי להפוך לגומי מגופר, נקראת שיטת קדם-פולימריזציה או שיטה דו-שלבית.
אפשר גם להשתמש בשיטה חד-שלבית - הפוליאסטר הליניארי או הפוליאתר מעורבבים ישירות עם דיאיזוציאנט, מאריך שרשרת וחומר צולב, כך שהתגובה מתרחשת ליצירת גומי פוליאוריטן.
גומי פוליאוריטן תרמופלסטי (TPU)
גומי פוליאוריטן תרמופלסטי הוא פולימר ליניארי בלוק מסוג (AB) מסוג n, A מייצג פוליאסטר או פוליאתר במשקל מולקולרי גבוה (משקל מולקולרי 1000-6000), הנקרא שרשרת ארוכה, B מייצג 2-12 פחמנים ליניאריים הדיול האטומי הוא שרשרת קצרה, והקשר הכימי בין מקטעי AB הוא דיאיזוציאנט.
הקשר בין המבנה והמאפיינים הפיזיים של TPU
1. מבנה הפלחים
מקטע A במולקולת ה-TPU הופך את השרשרת המקרו-מולקולרית לקלה לסיבוב, מעניק לגומי הפוליאוריתן גמישות טובה, מפחית את נקודת הריכוך ונקודת המעבר המשנית של הפולימר ומפחית את הקשיות והחוזק המכני. מקטע B יקשור את סיבוב השרשרת המקרומולקולרית, כך שנקודת הריכוך ונקודת המעבר המשנית של הפולימר מוגברת, הקשיות והחוזק המכני גדלים והגמישות יורדת. על ידי התאמת היחס המולארי בין A ל-B, ניתן להכין TPUs עם תכונות מכניות שונות.
2. מבנה צולב
בנוסף להצלבה ראשונית, מבנה ההצלבה של TPU חייב לשקול גם קישור צולב משני שנוצר על ידי קשרי מימן בין מולקולריים. הקשר הצולבי הראשוני של פוליאוריטן שונה ממבנה הגיפור של גומי הידרוקסי, וקבוצת האורטאן שלו, הביורט, קבוצת האלופנטים וקבוצות אחרות מסודרות באופן קבוע ומחולקות למקטעים קשיחים, כך שלגומי המתקבל יש מבנה רשת קבוע, כך יש לו עמידות בפני שחיקה ותכונות מצוינות אחרות.
שנית, מכיוון שגומי פוליאוריטן מכיל קבוצות רבות כמו קבוצות אוריאה או קבוצות אורטן בעלות אנרגיה מלוכדת גדולה, לקשרי המימן הנוצרים בין שרשראות מולקולריות יש חוזק גבוה, והצלבה המשנית הנוצרת מקשרי מימן לבריאות יש גם השפעה חשובה על התכונות של גומי פוליאוריטן. ההצלבה המשנית גורמת לגומי הפוליאוריטן להיות בעל מאפיינים של אלסטומר תרמוסטי מצד אחד, ומצד שני, ההצלבה היא לא ממש צולבת, היא צולבת וירטואלית, וההצלבה. המצב תלוי בטמפרטורה.
ככל שהטמפרטורה עולה, ההצלבה הזו נחלשת ונעלמת בהדרגה, ולפולימר יש נזילות מסוימת וניתן לעיבוד תרמופלסטי. כאשר הטמפרטורה יורדת, קישור צולב זה משוחזר בהדרגה ונוצר שוב. תוספת של כמות קטנה של חומר מילוי מגדילה את המרחק בין מולקולות, היכולת ליצור קשרי מימן בין מולקולות נחלשת והחוזק יירד בחדות.
3. יציבות הקבוצה
המחקר מראה שסדר היציבות של כל קבוצה בגומי פוליאוריטן מהגבוה לנמוך הוא: אסטר, אתר, אוריאה, urethane, biuret. בתהליך ההזדקנות של גומי פוליאוריטן, הראשון הוא קבוצת urea biuret ו-urea. קישורי הפורמט נבקעים, ואחריהם קישורי uretan and urea, כלומר השרשרת הראשית נבקעת.
תכונות של גומי פוליאוריטן
מודול האלסטי של TPU הוא בין גומי לפלסטיק. התכונה הגדולה ביותר שלו היא שיש לו גם קשיות וגם גמישות, מה שלא נמצא בגומיות ופלסטיקים אחרים.
TPU מתחלק לשני סוגים: סוג פוליאסטר וסוג פוליאתר. בהשוואה למאפיינים פיזיקליים, לסוג פוליאסטר יש ביצועים טובים יותר עבור גומי בעל קשיות נמוכה, בעוד שסוג פוליאתר טוב יותר עבור גומי בעל קשיות גבוהה. לגומי פוליאסטר יש עמידות טובה יותר בשמן, עמידות בחום והידבקות למתכת, בעוד שסוג הפוליאתר טוב יותר לעמידות להידרוליזה, עמידות בפני קור ותכונות אנטיבקטריאליות.
1. מאפיינים סביבתיים
ל-TPU בדרך כלל עמידות טובה לטמפרטורה, הטמפרטורה לשימוש מתמשך לטווח ארוך היא 80 עד 90 מעלות, והיא יכולה להגיע לכ-120 מעלות תוך זמן קצר. ההתנגדות לטמפרטורה נמוכה של פוליאוריטן היא גם טובה. טמפרטורת השבירות של פוליאוריטן פוליאסטר היא -40 מעלות צלזיוס, בעוד שהפוליאתר פוליאוריטן הוא -70 ~ -80 מעלות צלזיוס, אך הוא יתקשה בטמפרטורה נמוכה.
עמידות השמן של TPU טובה יחסית, אך עמידות המים משתנה בהתאם למבנה. השפלה החמורה ביותר של TPU נגרמת על ידי הפיכות תגובת יצירת האסטר. כאשר האסטר בא במגע עם מים, יצירת החומצה אחראית לתגובה האוטוקטליטית המובילה להתפרקות המולקולה. urethans פוליאסטר מתפרק יותר כאשר הם נחשפים ללחות באוויר מאשר כאשר טבילה מלאה במים. הסיבה לכך היא שכאשר טובלים במים, החומצה שנוצרת נשטפת כל הזמן.
עמידות ההידרוליזה של פוליאתר פוליאוריטן היא פי 3 עד 5 מזו של פוליאוריטן פוליאסטר, מכיוון שקבוצת האתר לא תגיב עם מים.
ישנן שתי סיבות לכך שחדירת מים מובילה לירידה בביצועי הפוליאוריתן: האחת היא שהמים הפולרים יוצרים קשרי מימן עם קבוצות קוטביות בפוליאוריתן, מה שמחליש את קשרי המימן בין מולקולות פולימר. תהליך זה הוא הפיך. לאחר שחזור המאפיינים הפיזיים.
השני הוא שהמים הפולשים מבצעים הידרוליזה של הפוליאוריתן, שהוא בלתי הפיך.
פוליאוריטן יתהפך ויתכהה בחשיפה ממושכת לאור השמש, ותכונותיו הפיזיקליות יפחתו בהדרגה. חיידקי האנזים עלולים להוביל גם לפירוק הפוליאוריתן, ולכן לגומי הפוליאוריתן המשמשים בייצור תעשייתי מוסיפים נוגדי חמצון, בולמי אולטרה סגול, חומרים אנטי-אנזימים וכו'.
2. תכונות מכניות
חוזק מתיחה: חוזק המתיחה של גומי פוליאוריטן גבוה יחסית, מגיע בדרך כלל ל-28 עד 42 MPa, וה-TPU הוא באמצע, כ-35 MPa.
התארכות: בדרך כלל עד 400 עד 600, המקסימום הוא 1000 אחוז.
גמישות: האלסטיות של הפוליאוריתן גבוהה יחסית, אך גם אובדן ההיסטרזיס שלו גדול יחסית, ולכן ייצור החום גבוה. הוא ניזוק בקלות בתנאי עומס של כיפוף מרובה וגלגול במהירות גבוהה.
קשיות: טווח הקשיות של פוליאוריטן רחב יותר מזה של גומיות אחרות, הנמוך ביותר הוא קשיות Shore 10, ולרוב המוצרים קשיות של 45 עד 95. כאשר הקשיות גבוהה מ-70 מעלות, חוזק המתיחה וחוזק ההתארכות הקבוע הם גבוה יותר מאלה של גומי טבעי. כאשר הקשיות היא 80 עד 90 מעלות, חוזק המתיחה, חוזק ההתארכות הקבוע וחוזק הקריעה גבוהים למדי.
חוזק קריעה: חוזק הקריעה של פוליאוריטן גבוה יחסית. כאשר טמפרטורת הבדיקה עולה ל-100-110 מעלות, חוזק הקריעה שווה לזה של גומי סטירן-בוטדין.
עמידות בפני שחיקה: עמידות הבלאי של פוליאוריטן טובה מאוד, גבוהה פי 9 מזו של גומי טבעי, ופי 1 עד 3 מזו של גומי סטירן-בוטדין.
דרישות עיבוד
ל-TPU יש את המאפיינים הכפולים של פלסטיק וגומי. המאפיינים הפיזיקליים והכימיים הייחודיים הללו הם המחייבים אותנו לקבל טיפול מיוחד בעיצוב תבניות ובהזרקה.
עיצוב עובש:
1. עיצוב הרץ:
מכיוון שהשפיץ הוא המקום עם הלחץ הגבוה ביותר, כאשר לחץ ההזרקה משתחרר, הקונדנסט במזרה יגביר את ההתנגדות עקב התפשטות אלסטית שתגרום להיצמדות הפיה לתבנית הקדמית. לכן, יש להגדיל ככל האפשר את שיפוע פירוק התבנית בעת תכנון התבנית. . גודלו של הקצה הקטן של השרשור אינו יכול להיות קטן מקוטר הזרבובית של מכונת ההזרקה. הגדלת גודל הקצה הגדול דורשת זמן קירור נוסף ומאריכה את מחזור ההזרקה. לכן, הגדלת המדרון של פירוק התבנית מתממשת בעיקר על ידי קיצור אורך השרשור.
בנסיבות רגילות, הקוטר של הקצה הקטן של התעלה הראשית הוא בערך 2.5 עד 3.0 מ"מ, קוטר הקצה הגדול קטן מ-6.0 מ"מ, והאורך לא אמור להיות עולה על 40 מ"מ. בקצה התעלה הראשית, יש להגדיר באר קרה בקוטר זהה או מעט גדול יותר כמו הקצה הגדול כדי לאסוף דבק קר ולחגור את יציאת המים.
קוטר הרץ צריך להיות תלוי במבנה המוצר ובאורך הרץ. באופן כללי, זה לא צריך להיות פחות מ-4.0 מ"מ. תעלת ה-shunt מאמצת צורה מעגלית כדי להשיג אפקט קירור טוב יותר.
2. עיצוב שער:
בשל הנזילות הלקויה של TPU, העומק והרוחב של השער צריכים להיות גדולים יותר מאלו של חומרים תרמופלסטיים אחרים על מנת למנוע את חוסר העקביות בין ההתכווצות הרוחבית והאורכית הנגרמת כתוצאה מהזרקה והכיוון המולקולרי של הקולואיד העובר דרך השער , בעוד ממד האורך הוא קטן יותר מאלה רגילים כדי להקל על מעבר קולואידים. שער ארוך מדי יגרום לפליטת הקולואיד במהלך המילוי, דבר שישפיע על מראה המוצר. יש להימנע ככל האפשר משערי סיכה שעלולים לגרום לגזירה יתרה ויצירת חום של החומר.
3. עיצוב חריץ פליטה:
פליטת התבנית חייבת להספיק כדי למנוע חריכה של המוצר, במיוחד כאשר כיוון המילוי של חומר הגומי משתנה בחדות ובחלק שבו המוצר מתמלא לבסוף, יש לשים לב במיוחד להגדרת הפליטה. יש להבחין בין עומק חריץ הפליטה לפי סוג ה-TPU. לפעמים עומק חריץ הפליטה הוא רק 0.01 מ"מ, וייווצר וילון בחריץ הפליטה, שיש לו קשר חשוב עם תכונות החומר המיוחדות של TPU.
4. עיצוב מערכת קירור:
אפקט הקירור של התבנית טוב יותר. עבור חומרים תרמופלסטיים אחרים, כל עוד לשכבה הקפואה על פני המוצר יש חוזק מספיק במהלך ההזרקה, ניתן לפלוט את המוצר ולפרק אותו בטמפרטורה גבוהה יותר. עבור TPU, כאשר הטמפרטורה גבוהה, קשרי המימן בין מולקולות אינם משוחזרים, וחוזק המתיחה של המוצר נמוך. פליטה בכוח ושחרור מהתבנית יובילו רק לעיוות של המוצר. המפתח משוחזר במלואו, וניתן לפרק את ה-TPU רק כאשר ל-TPU יש חוזק מספיק, מה שמחייב את אפקט הקירור של התבנית להיות טוב יותר.
5. קביעת שיעור הצטמקות:
קצב הכיווץ של TPU משתנה מאוד עם מותג ה-TPU בו נעשה שימוש, עובי ומבנה המוצר, והטמפרטורה והלחץ במהלך הזרקה, והטווח שלו הוא בין {{0}}.1 אחוז ל-2.0 אחוז. . בעת תכנון התבנית יש להתייחס לא רק לנתוני קצב ההתכווצות של חומר הגלם, אלא גם לפי מבנה ועובי המוצר כדי להעריך את טמפרטורת ההזרקה והלחץ לשימוש בהזרקה ולבצע תיקונים מתאימים. עבור מוצרים עם עמדות דבק מקומיות עבות יותר, הלחץ הנדרש להזרקה גדול יותר, וקצב ההתכווצות של המוצר היצוק קטן יותר, ולכן יש צורך להפחית את קצב ההתכווצות של TPU. עבור מוצרים עם מיקום דבק אחיד יחסית ומוצר עבה, יש להעלות את ערך קצב ההתכווצות בצורה מתאימה.
עיבוד הזרקה
1. ייבוש חומרי גלם מכיוון שחדירת לחות עלולה לפגום ב-TPU
כאשר תכולת הלחות של TPU עולה על 0.2 אחוזים, לא רק המראה של המוצר מושפע, אלא גם התכונות המכניות מתדרדרות, ולמוצר המוזרק יש גמישות גרועה וחוזק נמוך. לכן, יש לייבש אותו בטמפרטורה של 80 מעלות עד 110 מעלות במשך 2 עד 3 שעות לפני ההזרקה.
2. ניקוי החבית
יש לנקות את הקנה של מכונת ההזרקה, וערבוב של מעט מאוד חומרי גלם אחרים יפחית את החוזק המכני של המוצר. יש לנקות שוב את החביות המנוקות עם ABS, PMMA ו-PE עם חומר זרבובית TPU לפני הזרקה, ויש להסיר את שאריות החומר בחבית עם חומר זרבובית TPU.
3. בקרת טמפרטורת העיבוד
לטמפרטורת העיבוד של TPU יש השפעה מכרעת על הגודל הסופי, המראה והעיוות של המוצר. הטמפרטורה תלויה בדרגת ה-TPU המשמשת ובתנאים הספציפיים של עיצוב התבנית. המגמה הכללית היא שכדי להשיג קצב הצטמקות קטן, יש להעלות את טמפרטורת העיבוד; כדי להשיג קצב הצטמקות גדול, יש להוריד את טמפרטורת העיבוד. אפילו בטווח טמפרטורת העיבוד הרגיל של TPU, אם חומר הגלם נשאר בחבית זמן רב מדי, זה יוביל לפירוק תרמי של TPU, ויש לרוקן את שאריות החומר בחבית לפני ההזרקה. גם השליטה בטמפרטורת הזרבובית חשובה מאוד. בנסיבות רגילות, הוא צריך להיות גבוה בכ-5 מעלות מהטמפרטורה של הקצה הקדמי של הקנה.
4. בקרת מהירות הזרקה ולחץ
מהירות הזרקה נמוכה יותר וזמן שהייה ארוך יותר ישפרו את האוריינטציה המולקולרית, ולמרות שגודל מוצר קטן יותר עשוי להתקבל, עיוות המוצר יהיה גדול יותר, וההבדל בין כיווץ רוחבי ואורכי יהיה גדול. לחץ אחיזה גדול יגרום גם לדחיסת יתר של הקולואיד בתבנית, וגודל המוצר לאחר פירוק התבנית גדול מגודל חלל התבנית.
5. בקרת מהירות ההיתוך ולחץ חזרה
חומר TPU רגיש יותר לגזירה. כאשר חום הגזירה הנוצר על ידי מהירות התכה גבוהה ולחץ גב גבוה מדי, זה יוביל להתדרדרות תרמית של TPU. לכן, מהירות נמוכה או בינונית משמשת בדרך כלל להמסה של TPU. אם מחזור ההזרקה ארוך, יש להשתמש בפונקציית ההיתוך המושהה, ופתיחת התבנית תתחיל לאחר השלמת ההיתוך, כדי למנוע מחומרי הגלם להישאר בחבית זמן רב מדי ולהשפיל.
