Що таке поліуретан?
Так званий поліуретан є абревіатурою поліуретану, який утворюється в результаті реакції поліізоціаната та поліолу та містить багато повторюваних уретанових груп (-NH-CO-O-) у молекулярному ланцюзі. У власне синтетичній поліуретановій смолі, крім уретанової групи, є також такі групи, як сечовина та біурет. Поліоли — це довголанцюгові молекули з гідроксильними групами на кінці, які називаються «м’якими сегментами», а поліізоціанати — «твердими сегментами».
У поліуретановій смолі, створеній м’якими та твердими сегментами, уретан становить лише меншість, тому не обов’язково доречно називати її поліуретаном. У широкому розумінні поліуретан - це додатковий полімер ізоціанату.
Різні типи ізоціанатів реагують із полігідроксисполуками з утворенням поліуретанів різної структури, отримуючи таким чином полімерні матеріали з різними властивостями, такі як пластмаси, гуми, покриття, волокна, клеї тощо. Поліуретановий каучук
Поліуретановий каучук вперше був успішно розроблений у Німеччині в 1940 році, а промислове виробництво було запущено після 1952 року, тоді як у моїй країні було розроблено та запущено у виробництво в середині-1960. Поліуретановий каучук відноситься до різновиду спеціального каучуку, який отримують шляхом реакції поліефіру або поліефіру з ізоціанатом. Існує багато різновидів через різні типи сировини, умови реакції та методи зшивання. За хімічною структурою розрізняють тип поліефіру та поліефіру, а за способом обробки є три типи: тип змішування, тип лиття та тип термопласту.
Синтетичний поліуретановий каучук зазвичай виготовляють шляхом взаємодії лінійного поліефіру або простого поліефіру з діізоціанатом для отримання низькомолекулярного преполімеру. Після реакції подовження ланцюга утворюється високомолекулярний полімер, а потім для його нагрівання додається відповідний зшиваючий агент. Цей метод вулканізованої гуми називається методом преполімеризації або двоетапним методом.
Також можна використовувати одноетапний метод — лінійний поліефір або простий поліефір безпосередньо змішують з діізоціанатом, подовжувачем ланцюга та зшиваючим агентом, так що відбувається реакція з утворенням поліуретанового каучуку.
Термопластичний поліуретановий каучук (TPU)
Термопластичний поліуретановий каучук — це (AB) блок-лінійний полімер n-типу, A — високомолекулярний поліефір або простий поліефір (молекулярна маса 1000-6000), який називається довголанцюговим, B — 2-12 лінійних вуглеців. Атомарний діол — короткий ланцюг, а хімічний зв’язок між сегментами АВ – діізоціанат.
Зв'язок між структурою та фізичними властивостями ТПУ
1. Сегментна структура
Сегмент А в молекулі TPU полегшує обертання макромолекулярного ланцюга, надаючи поліуретановому каучуку хорошу еластичність, знижуючи точку розм’якшення та точку вторинного переходу полімеру, а також знижуючи твердість і механічну міцність. Сегмент B буде зв'язувати обертання макромолекулярного ланцюга, так що температура розм'якшення і точка вторинного переходу полімеру збільшуються, твердість і механічна міцність збільшуються, а еластичність знижується. Регулюючи молярне співвідношення між А і В, можна отримати ТПУ з різними механічними властивостями.
2. Зшита структура
На додаток до первинного зшивання, структура зшивання TPU також повинна враховувати вторинне зшивання, утворене міжмолекулярними водневими зв’язками. Первинний зшиваючий зв'язок поліуретану відрізняється від вулканізаційної структури гідроксикаучуку, а його уретанова група, біурет, алофанатна група та інші групи є регулярними та розподіленими на жорсткі сегменти, тому отриманий каучук має регулярну сітчасту структуру, тому має чудову зносостійкість та інші чудові властивості.
По-друге, оскільки поліуретановий каучук містить багато груп, таких як групи сечовини або уретанові групи з великою когезійною енергією, водневі зв’язки, утворені між молекулярними ланцюгами, мають високу міцність, а вторинне зшивання, утворене водневими зв’язками. Здоров’я також має важливий вплив на властивості. з поліуретанової гуми. Вторинне зшивання робить поліуретановий каучук характеристиками термореактивного еластомеру, з одного боку, а з іншого боку, зшивання насправді не є зшиванням, це віртуальне зшивання, а зшивання стан залежить від температури.
У міру підвищення температури це зшивання поступово слабшає і зникає, а полімер має певну текучість і може піддаватися термопластичній обробці. Коли температура знижується, це зшивання поступово відновлюється і утворюється знову. Додавання невеликої кількості наповнювача збільшує відстань між молекулами, здатність утворювати водневі зв'язки між молекулами слабшає, а міцність різко впаде.
3. Стабільність групи
Дослідження показують, що порядок стабільності кожної групи в поліуретановому каучуку від високого до низького: складний ефір, ефір, сечовина, уретан, біурет. У процесі старіння поліуретанового каучуку першою є група біурету та сечовини. Форматні поперечні зв’язки розщеплюються, а потім уретанові та сечовинні зв’язки, тобто основний ланцюг розщеплюється.
Властивості поліуретанового каучуку
Модуль пружності TPU знаходиться між гумою та пластиком. Його найбільша особливість полягає в тому, що він має як твердість, так і еластичність, чого немає в інших гумах і пластмасах.
ТПУ ділиться на два типи: поліефірний і поліефірний. Порівняно з фізичними властивостями поліефірний тип має кращі характеристики для гуми низької твердості, а тип поліефіру кращий для гуми високої твердості. Поліефірний каучук має кращу маслостійкість, термостійкість і адгезію до металу, тоді як поліефірний тип є кращим за стійкістю до гідролізу, морозостійкості та антибактеріальними властивостями.
1. Екологічні характеристики
TPU, як правило, має хорошу термостійкість, температура для безперервного тривалого використання становить від 80 до 90 градусів, і вона може досягати приблизно 120 градусів за короткий час. Стійкість поліуретану до низьких температур також хороша. Температура крихкості поліефірного поліуретану становить -40 градусів C, тоді як поліефірного поліуретану становить -70 ~ -80 градусів C, але він стає твердим при низькій температурі.
Олійостійкість TPU є відносно хорошою, але водостійкість залежить від структури. Найбільш серйозна деградація ТПУ викликана оборотністю реакції утворення складного ефіру. Коли складний ефір контактує з водою, утворення кислоти відповідає за автокаталітичну реакцію, що призводить до розпаду молекули. Поліефірні уретани руйнуються сильніше під впливом вологи на повітрі, ніж при повному зануренні у воду. Це пояснюється тим, що при зануренні у воду утворена кислота постійно вимивається.
Стійкість поліефірного поліуретану до гідролізу в 3-5 разів вища, ніж у поліефірного поліуретану, оскільки ефірна група не реагує з водою.
Є дві причини, чому проникнення води призводить до зниження ефективності поліуретану: одна полягає в тому, що вода, що проникла, утворює водневі зв’язки з полярними групами в поліуретані, що послаблює водневі зв’язки між молекулами полімеру. Цей процес оборотний. Після відновлення фізичних властивостей.
По-друге, проникаюча вода гідролізує поліуретан, що є незворотнім.
Під дією тривалого сонячного світла поліуретан знебарвлюється і темніє, а його фізичні властивості поступово знижуються. Ферментні бактерії також можуть призвести до деградації поліуретану, тому в поліуретановий каучук, який використовується в промисловому виробництві, додають антиоксиданти, поглиначі ультрафіолету, антиферментні агенти тощо.
2. Механічні властивості
Міцність на розрив: міцність на розрив поліуретанового каучуку є відносно високою, зазвичай досягаючи 28-42 МПа, а ТПУ знаходиться посередині, приблизно 35 МПа.
Відносне подовження: зазвичай до 400-600, максимум 1000 відсотків.
Еластичність: еластичність поліуретану відносно висока, але його втрати на гістерезис також відносно великі, тому тепловиділення високе. Він легко пошкоджується в умовах навантаження багаторазового згинання і високошвидкісного прокату.
Твердість: діапазон твердості поліуретану ширший, ніж у інших каучуків, найнижча твердість за Шором 10, і більшість продуктів мають твердість від 45 до 95. Коли твердість перевищує 70 градусів, міцність на розрив і фіксоване подовження є вище, ніж у натурального каучуку. Коли твердість становить від 80 до 90 градусів, міцність на розрив, міцність на фіксоване подовження та міцність на розрив досить високі.
Міцність на розрив: міцність на розрив поліуретану відносно висока. Коли температура випробування підвищується до 100-110 градусів, міцність на розрив еквівалентна міцності бутадієнового каучуку.
Зносостійкість: зносостійкість поліуретану дуже хороша, у 9 разів вища, ніж у натурального каучуку, і в 1-3 рази вища, ніж у стирол-бутадієнового каучуку.
Вимоги до обробки
ТПУ має подвійні характеристики пластику та гуми. Саме ці унікальні фізико-хімічні характеристики вимагають особливого ставлення до нас під час розробки прес-форм і лиття під тиском.
Дизайн форми:
1. Конструкція бігунка:
Оскільки литник є місцем із найвищим тиском, коли тиск упорскування скидається, конденсат у литнику збільшить опір через пружне розширення, що спричинить прилипання сопла до передньої форми. Тому при проектуванні прес-форми нахил литника для виймання з форми повинен бути максимально збільшений. . Розмір малого кінця литника не може бути меншим за діаметр сопла машини для лиття під тиском. Збільшення розміру великого кінця вимагає додаткового часу на охолодження і подовжує цикл ін'єкції. Тому збільшення нахилу виймання в основному здійснюється за рахунок скорочення довжини литника.
За нормальних обставин діаметр малого кінця основного каналу становить приблизно 2,5–3.0 мм, діаметр великого кінця менше 6.0 мм, а довжина не повинна перевищує 40 мм. На кінці основного каналу слід встановити холодний колодязь такого ж або трохи більшого діаметру, як і великий кінець, для збору холодного клею та перекриття виходу води.
Діаметр полозка повинен залежати від конструкції виробу і довжини полоза. Загалом він не повинен бути меншим за 4.0мм. Шунтовий канал приймає круглу форму для отримання кращого ефекту охолодження.
2. Конструкція воріт:
Через низьку текучість TPU глибина та ширина затвора мають бути більшими, ніж у інших термопластичних матеріалів, щоб уникнути невідповідності між поперечною та поздовжньою усадкою, спричиненою струменем та молекулярною орієнтацією колоїду, що проходить через затвор. , тоді як розмір довжини Він менший, ніж звичайні, щоб полегшити проходження колоїдів. Занадто довгий затвор призведе до викиду колоїду під час наповнення, що вплине на зовнішній вигляд продукту. Наскільки це можливо, слід уникати шпилькових воріт, які можуть спричинити надмірний зсув і виділення тепла матеріалу.
3. Конструкція випускної канавки:
Витяжка форми повинна бути достатньою, щоб запобігти підгорянню виробу, особливо коли напрямок заповнення гумового матеріалу різко змінюється, і частина, де виріб остаточно заповнюється, зверніть особливу увагу на налаштування витяжки. Глибину витяжної канавки слід розрізняти за типом ТПУ. Іноді глибина випускної канавки становить лише 0,01 мм, і на випускній канавці утворюється драпірування, яке має важливий зв’язок із особливими властивостями матеріалу ТПУ.
4. Конструкція системи охолодження:
Ефект охолодження форми кращий. Для інших термопластичних матеріалів, поки заморожений шар на поверхні виробу має достатню міцність під час лиття під тиском, виріб можна викинути та витягти з форми при вищій температурі. Для TPU, коли температура висока, водневі зв’язки між молекулами не відновлюються, а міцність продукту на розрив низька. Примусове викидання та виймання з форми призведе лише до деформації виробу. Ключ повністю відновлюється, і ТПУ можна витягнути з форми лише тоді, коли ТПУ має достатню міцність, що вимагає кращого ефекту охолодження форми.
5. Визначення швидкості усадки:
Швидкість усадки ТПУ значно залежить від використовуваної марки ТПУ, товщини та структури виробу, а також температури та тиску під час лиття під тиском, і її діапазон становить від {{0}}.1% до 2,0% . При проектуванні прес-форми слід звертатися не тільки до даних про швидкість усадки сировини, але також відповідно до структури та товщини виробу, щоб оцінити температуру та тиск уприскування, які будуть використовуватися під час лиття під тиском, і внести відповідні виправлення. Для виробів із більш товстими локальними адгезивними позиціями тиск, необхідний для лиття під тиском, більший, а швидкість усадки формованого продукту менша, тому необхідно зменшити швидкість усадки ТПУ. Для виробів з відносно рівномірним розташуванням клею і товстим виробом значення коефіцієнта усадки слід відповідно збільшити.
Ін'єкційна обробка
1. Сушка сировини Оскільки проникнення вологи може погіршити ТПУ
Коли вміст вологи в TPU перевищує 0,2 відсотка, це впливає не лише на зовнішній вигляд виробу, але й явно погіршується його механічні властивості, а виріб, виготовлений під тиском, має низьку еластичність і низьку міцність. Тому його слід висушити при температурі від 80 градусів до 110 градусів протягом 2-3 годин перед литтям під тиском.
2. Очищення ствола
Стовбур машини для лиття під тиском слід очистити, а змішування дуже малої кількості іншої сировини призведе до зниження механічної міцності виробу. Стовбури, очищені ABS, PMMA та PE, слід знову очистити матеріалом для насадок TPU перед литтям під тиском, а залишковий матеріал у стовбурі слід видалити за допомогою матеріалу для насадок TPU.
3. Контроль температури обробки
Температура обробки TPU має вирішальний вплив на кінцевий розмір, зовнішній вигляд і деформацію виробу. Температура залежить від марки ТПУ, що використовується, і конкретних умов конструкції форми. Загальна тенденція полягає в тому, що для отримання малої усадки температура обробки повинна бути підвищена; для отримання великої усадки температуру обробки потрібно знизити. Навіть у межах нормального температурного діапазону обробки TPU, якщо сировина залишається в бочці занадто довго, це призведе до термічної деградації TPU, і залишковий матеріал у бочці слід звільнити перед литтям під тиском. Контроль температури сопла також дуже важливий. За нормальних умов вона повинна бути приблизно на 5 градусів вищою за температуру переднього кінця стовбура.
4. Контроль швидкості та тиску впорскування
Нижча швидкість ін'єкції та довший час витримки покращать молекулярну орієнтацію, і хоча можна отримати менший розмір продукту, деформація продукту буде більшою, а різниця між поперечною та поздовжньою усадкою буде значною. Великий тиск утримування також призведе до надмірного стиснення колоїду в прес-формі, а розмір виробу після вилучення з форми буде більшим за розмір порожнини форми.
5. Контроль швидкості плавлення та протитиску
ТПУ матеріал більш чутливий до зсуву. Коли зсувне тепло, яке створюється високою швидкістю плавлення та зворотним тиском, є занадто високим, це призведе до термічної деградації ТПУ. Тому для плавлення TPU зазвичай використовується низька або середня швидкість. Якщо цикл лиття під тиском тривалий, слід використовувати функцію відстроченого плавлення, і відкриття форми почнеться після завершення плавлення, щоб запобігти довгому перебуванню сировини в бочці та погіршенню її якості.
