Pengantar Bahan Poliuretan

Poliuretan adalah sejenis polimer dengan banyak gugus karbamat berulang dalam struktur molekulnya, yang sepenuhnya disebut poliuretan, atau disingkat PU. Poliuretan dapat dibuat menjadi poliuretan termoplastik dengan molekul linier atau poliuretan termoset dengan molekul tubuh sesuai dengan komposisinya. Yang pertama terutama digunakan untuk elastomer, pelapis, perekat, kulit sintetis, dll., sedangkan yang kedua terutama digunakan untuk pembuatan berbagai plastik berbusa lunak, semi-kaku dan keras.

Poliuretan pertama kali dikembangkan oleh ilmuwan Jerman pada tahun 1937 dan memulai produksi industri pada tahun 1939. Metode pembuatannya adalah isosianat bereaksi dengan senyawa yang mengandung hidrogen aktif (seperti alkohol, amina, asam karboksilat, air, dll.) untuk membentuk senyawa dengan gugus karbamat. Reaksi antara isosianat dan poliol adalah reaksi dasar untuk pembuatan Pu, dan rumus reaksinya adalah:

Reaksi termasuk dalam polimerisasi adisi bertahap, dan tidak ada produk samping molekul kecil yang dihasilkan dalam proses reaksi. Jika salah satu isosianat atau poliol memiliki lebih dari tiga gugus fungsi, maka akan terbentuk struktur jaringan tiga dimensi.

1, Bahan baku dasar untuk Sintesis Poliuretan

Bahan baku dasar sintesis poliuretan adalah isosianat, poliol, katalis dan pemanjang rantai.

(1) Isosianat isosianat umumnya mengandung dua atau lebih gugus isosianat. Gugus isosianat sangat aktif dan dapat bereaksi dengan alkohol, amina, asam karboksilat, air, dll. Saat ini, isosianat utama yang digunakan dalam produk poliuretan adalah toluena diisosianat (TDI), dibasic metana diisosianat (MDI) dan polimetilen p-benzena poliisosianat ( Ayah). TDI terutama digunakan untuk plastik berbusa lunak; MDI dapat digunakan untuk perekat mesin plastik busa semi-kaku dan keras; Papi dapat digunakan dalam produk busa kaku termoset, pencampuran dan pengecoran karena tiga fungsinya.

(2) Poliol poliol merupakan bagian elastis dari struktur poliuretan. Polieter poliol dan poliester poliol biasanya digunakan. Kandungan poliol dalam poliuretan menentukan kekerasan, kelenturan dan kekakuan resin poliuretan. Polieter poliol dibentuk oleh polimerisasi pembukaan cincin poliol, poliamina atau senyawa organik lain yang mengandung hidrogen aktif dengan olefin teroksidasi. Mereka memiliki keunggulan elastisitas tinggi dan viskositas rendah. Poliol jenis ini banyak digunakan, terutama dalam plastik berbusa lunak dan produk cetakan injeksi reaksi. Poliester poliol diperoleh dengan esterifikasi berbagai asam polibasa organik dan poliol. Poliol poliester linier yang disintesis oleh asam dibasa dan diol terutama digunakan untuk poliuretan lunak, dan poliester poliester bercabang yang disintesis oleh asam dibasa dan triol terutama digunakan untuk poliuretan keras.

(3) Katalis juga perlu ditambahkan dalam proses polimerisasi poliuretan untuk mempercepat proses polimerisasi. Umumnya, ada dua jenis amina dan timah. Amina yang umum digunakan adalah triethylenediamine, n-aminomorphorphine, dll., dan timah termasuk dibutyltin dilaurate, stannous octanoate, dll.

(4) Pemanjang rantai yang biasa digunakan pemanjang rantai adalah diol dan diamina dengan berat molekul relatif rendah, yang bereaksi dengan isosianat untuk membentuk segmen keras dalam polimer. Pemanjang rantai yang umum termasuk etilen glikol, propilen glikol, butanediol, hexanediol, dll. Amina biner aromatik umumnya digunakan, seperti difenilmetana diamina, diklorodifenilmetana diamina, dll.

2, Pengaruh struktur pada Kinerja

Sifat-sifat bahan polimer apa pun ditentukan oleh strukturnya. Struktur poliuretan meliputi struktur kimia dan struktur agregasi. Struktur kimia, yaitu struktur rantai molekul, merupakan faktor penting yang harus diperhatikan dalam desain formulasi pada awal sintesis; Struktur agregasi mengacu pada keadaan susun segmen makromolekul, yang dipengaruhi oleh struktur rantai molekul, proses sintetis, kondisi layanan, dan sebagainya. Secara khusus, ia memiliki dampak berikut:

(1) Pengaruh segmen lunak pada Kinerja

Polieter, poliester dan poliol oligomer lainnya membentuk segmen lunak. Segmen lunak menyumbang sebagian besar poliuretan, dan sifat poliuretan yang dibuat oleh poliol oligomer dan diisosianat yang berbeda berbeda.

Elastomer poliuretan dan busa dengan poliester polaritas kuat sebagai segmen lunak memiliki sifat mekanik yang baik. Karena poliuretan yang terbuat dari poliester mengandung gugus ester dengan polaritas tinggi, maka poliuretan tidak hanya dapat membentuk ikatan hidrogen antar segmen keras, tetapi juga gugus polar pada segmen lunak sebagian dapat membentuk ikatan hidrogen dengan gugus polar pada segmen keras, sehingga fase keras dapat lebih merata di fase lunak dan memainkan peran titik persimpangan elastis. Pada suhu kamar, beberapa poliester dapat membentuk kristalisasi segmen lunak, yang mempengaruhi sifat poliuretan. Kekuatan, ketahanan minyak dan stabilitas oksidasi termal poliester poliuretan lebih tinggi daripada polieter PPG, tetapi ketahanan hidrolisis lebih buruk daripada polieter. Polytetrahydrofuran (PTMEG) poliuretan mudah membentuk kristalisasi karena struktur PTMEG yang teratur, dan kekuatannya sama dengan poliester. Secara umum, polieter poliuretan memiliki fleksibilitas yang baik dan kinerja suhu rendah yang sangat baik karena gugus eter di segmen lunak mudah diputar, dan tidak ada gugus ester yang relatif mudah terhidrolisis dalam polieter, sehingga ketahanan hidrolisisnya lebih baik daripada yang dari polieter. Ikatan eter dalam segmen lunak polieter Karbon mudah teroksidasi membentuk radikal bebas peroksida, menghasilkan serangkaian reaksi degradasi oksidatif. Poliuretan dengan polibutadiena sebagai segmen lunak memiliki polaritas yang lemah, kompatibilitas yang buruk antara segmen lunak dan keras dan kekuatan elastomer yang buruk. Segmen lunak dengan rantai samping memiliki ikatan hidrogen yang lemah dan kristalinitas yang buruk karena hambatan sterik, dan kekuatannya lebih buruk daripada poliuretan bebas samping dengan rantai utama segmen lunak yang sama.

Berat molekul segmen lunak memiliki efek pada sifat mekanik poliuretan. Secara umum, dengan asumsi bahwa berat molekul poliuretan adalah sama, jika segmen lunak adalah poliester, kekuatan poliuretan meningkat dengan meningkatnya berat molekul poliester glikol; Jika polieter segmen lunak digunakan, kekuatan poliuretan berkurang dengan meningkatnya berat molekul polieter glikol, tetapi perpanjangannya meningkat. Hal ini karena polaritas segmen lunak poliester itu sendiri kuat, dan berat molekul besar menyebabkan keteraturan struktural yang tinggi, yang bermanfaat untuk meningkatkan kekuatan, sedangkan polaritas segmen lunak polieter lemah. Jika berat molekul meningkat, kandungan relatif segmen keras dalam poliuretan berkurang dan kekuatannya menurun.

Kristalinitas segmen lunak memberikan kontribusi besar terhadap kristalinitas segmen poliuretan linier. Secara umum, kristalinitas bermanfaat untuk meningkatkan sifat produk poliuretan, tetapi terkadang kristalisasi akan mengurangi fleksibilitas bahan pada suhu rendah, dan polimer kristalin seringkali buram. Untuk menghindari kristalisasi, keteraturan molekul dapat terganggu, seperti kopoliester atau kopolieter poliol, poliol campuran, pemanjang rantai campuran, dll.

(2) Pengaruh segmen keras pada Kinerja

Segmen keras poliuretan terdiri dari isosianat atau poliisosianat setelah reaksi dan pemanjang rantai. Ini mengandung gugus polar yang kuat seperti aril, karbamat dan urea tersubstitusi. Umumnya, konformasi segmen kaku yang dibentuk oleh isosianat aromatik tidak mudah berubah dan memanjang menjadi bentuk batang pada suhu kamar. Segmen keras biasanya mempengaruhi suhu leleh pelunakan dan sifat suhu tinggi polimer.

Struktur isosianat mempengaruhi kekakuan segmen yang keras, sehingga jenis isosianat sangat berpengaruh terhadap sifat bahan poliuretan. Keberadaan cincin aromatik yang kaku dalam molekul isosianat aromatik dan ikatan karbamat yang dihasilkan memberikan kohesi poliuretan yang kuat. Diisosianat simetris membuat struktur molekul poliuretan teratur dan teratur dan mendorong kristalisasi polimer. Oleh karena itu, 4,4 '- diphenylmethane diisocyanate (MDI) memiliki kohesi, modulus, kekuatan sobek dan sifat fisik dan mekanik lain yang lebih tinggi daripada poliuretan yang terbuat dari diisosianat asimetris (seperti TDI). Poliuretan yang dibuat oleh isosianat aromatik memiliki cincin aromatik yang kaku di segmen kerasnya, yang meningkatkan kekuatan kohesi segmen kerasnya. Kekuatan material umumnya lebih tinggi daripada poliuretan isosianat alifatik, tetapi memiliki ketahanan degradasi UV yang buruk dan mudah menguning. Poliuretan alifatik tidak akan menguning. Struktur isosianat yang berbeda juga memiliki efek yang berbeda pada daya tahan poliuretan. Poliuretan aromatik memiliki ketahanan oksidasi termal yang lebih baik daripada poliuretan isosianat alifatik, karena hidrogen pada cincin aromatik sulit untuk dioksidasi.

Pemanjang rantai juga mempengaruhi sifat poliuretan. Dibandingkan dengan poliuretan diperpanjang rantai diol alifatik, diol yang mengandung cincin aromatik memiliki kekuatan yang lebih baik. Pemanjang rantai amina biner dapat membentuk ikatan urea, dan polaritas ikatan urea lebih kuat daripada ikatan uretan. Oleh karena itu, poliuretan dengan pemanjang rantai amina biner memiliki kekuatan mekanik, modulus, adhesi, ketahanan panas, dan kinerja suhu rendah yang lebih tinggi daripada poliuretan dengan pemanjang rantai diol. Elastomer poliuretan cor sebagian besar menggunakan MOCA diamina aromatik sebagai pemanjang rantai. Selain faktor proses curing, karena elastomer memiliki sifat komprehensif yang baik.

Segmen lunak poliuretan tidak akan teroksidasi dan terdegradasi dengan cepat dalam waktu singkat di bawah suhu tinggi, tetapi ketahanan panas dari segmen keras mempengaruhi ketahanan suhu poliuretan. Beberapa gugus ikatan yang dibentuk oleh reaksi isosianat dapat muncul di segmen keras, dan urutan stabilitas termal adalah sebagai berikut:

Isosianurat > urea > karbamat > biuret > urea format

Isosianat yang paling stabil mulai terurai pada sekitar 270 derajat. Stabilitas termal ikatan uretan menurun dengan meningkatnya substituen pada atom oksigen dan karbon yang berdekatan, peningkatan reaktivitas isosianat atau peningkatan hambatan sterik. Selain itu, gugus aromatik atau alifatik pada kedua sisi ikatan uretan juga mempengaruhi dekomposisi termal ikatan uretan. Urutan kestabilannya adalah sebagai berikut:

R-NHCOOR＞Ar-NHCOORR-NHCOOAr＞Ar-NHCOOAr

Peningkatan kandungan segmen keras dalam poliuretan biasanya meningkatkan kekerasan dan mengurangi elastisitas.

(3) Morfologi dan struktur poliuretan

Pada analisis akhir, kinerja poliuretan dipengaruhi oleh morfologi dan struktur rantai makromolekul. Khusus untuk bahan elastomer poliuretan, pemisahan fase segmen lunak dan segmen keras sangat penting untuk kinerja poliuretan. Fleksibilitas yang unik dan berbagai sifat fisik poliuretan dapat dijelaskan dengan morfologi dua fase. Sifat bahan poliuretan sangat tergantung pada struktur fase segmen lunak dan keras dan tingkat pemisahan mikrofase. Pemisahan fasa sedang bermanfaat untuk meningkatkan sifat polimer.

Dari struktur mikroskopis, dalam poliuretan, karena energi kohesi yang besar dari gugus karbamat polar dan kaku yang kuat, ikatan hidrogen dapat dibentuk antara molekul, yang berkumpul bersama untuk membentuk daerah fase mikro segmen keras. Pada suhu kamar, daerah mikro ini adalah kristal sekunder kaca atau kristal mikro; Segmen polieter atau segmen poliester dengan polaritas lemah berkumpul bersama untuk membentuk daerah fase segmen lunak. Meskipun segmen lunak dan segmen keras memiliki ketercampuran tertentu, wilayah fase segmen keras dan wilayah fase segmen lunak memiliki ketidakcocokan termodinamika, menghasilkan pemisahan fase mikro, dan wilayah mikro segmen lunak dan wilayah mikro segmen keras menunjukkan suhu transisi gelas masing-masing. Wilayah fase segmen lunak terutama mempengaruhi elastisitas dan sifat suhu rendah material. Daya tarik segmen rantai antara segmen keras jauh lebih besar daripada antara segmen lunak. Fasa keras tidak larut dalam fasa lunak, tetapi terdistribusi di dalamnya untuk membentuk struktur mikrofase yang terputus-putus. Ini memainkan peran titik penghubung silang fisik dan peningkatan di segmen lunak pada suhu kamar. Oleh karena itu, segmen keras memiliki pengaruh penting terhadap sifat mekanik material, terutama kekuatan tarik, kekerasan dan kekuatan sobek. Inilah sebabnya mengapa elastomer poliuretan dapat menunjukkan kekuatan tinggi dan elastisitas tinggi pada suhu kamar bahkan tanpa ikatan silang kimia. Apakah pemisahan fase mikro dapat terjadi pada elastomer poliuretan, tingkat pemisahan fase mikro dan keseragaman distribusi fase keras dalam fase lunak semuanya secara langsung mempengaruhi sifat mekanik elastomer.

(4) Ikatan hidrogen

Ikatan hidrogen ada antara kelompok yang mengandung atom nitrogen, atom oksigen dan atom H dengan elektronegativitas yang kuat, yang terkait dengan energi kohesi kelompok. Gugus karbamat atau urea dalam segmen keras memiliki polaritas yang kuat, dan ikatan hidrogen sebagian besar ada di antara segmen keras. Dilaporkan bahwa sebagian besar gugus imino (NH) dari berbagai gugus dalam poliuretan dapat membentuk ikatan hidrogen, sebagian besar terbentuk antara NH dan gugus karbonil pada segmen keras, dan sebagian kecil terbentuk antara NH dan eter oksi atau ester karbonil. kelompok dalam segmen lunak. Dibandingkan dengan kekuatan ikatan ikatan kimia intramolekul, ikatan hidrogen adalah semacam daya tarik fisik, dan susunan segmen kutub yang rapat mendorong pembentukan ikatan hidrogen; Pada suhu yang lebih tinggi, segmen rantai menerima energi dan bergerak, dan ikatan hidrogen menghilang. Ikatan hidrogen memainkan peran ikatan silang fisik, yang dapat membuat elastomer poliuretan memiliki kekuatan dan ketahanan aus yang tinggi. Semakin banyak ikatan hidrogen, semakin kuat gaya antarmolekul, dan semakin tinggi kekuatan material.

(5) Gelar ikatan silang

Ikatan silang intramolekul moderat dapat meningkatkan kekerasan, suhu pelunakan dan modulus elastisitas poliuretan, dan mengurangi perpanjangan putus, deformasi permanen dan pembengkakan dalam pelarut. Untuk elastomer poliuretan, pengikatan silang yang tepat dapat menghasilkan bahan dengan kekuatan mekanik yang sangat baik, kekerasan tinggi, elastisitas, ketahanan aus yang sangat baik, ketahanan minyak, ketahanan ozon dan tahan panas. Namun, jika ikatan silang berlebihan, kekuatan tarik, perpanjangan dan sifat lainnya dapat dikurangi.

Ikatan silang kimia poliuretan umumnya disebabkan oleh Poliol (kadang-kadang poliamina atau bahan baku multifungsi lainnya) atau ikatan ikatan silang (urea format dan biuret, dll.) yang dibentuk oleh suhu tinggi dan isosianat berlebih. Kepadatan ikatan silang tergantung pada jumlah bahan baku. Dibandingkan dengan ikatan silang fisik yang disebabkan oleh ikatan hidrogen, ikatan silang kimia memiliki stabilitas termal yang lebih baik.

Busa poliuretan adalah polimer ikatan silang. Busa fleksibel terbuat dari polieter rantai panjang (atau poliester) glikol, trietanol, diisosianat, dan agen pengikat silang pemanjang rantai, yang memiliki elastisitas dan kelembutan yang baik; Busa kaku terbuat dari polieter poliol dan poliisosianat (Papi) dengan fungsionalitas tinggi dan berat molekul rendah. Karena tingkat ikatan silang yang tinggi dan adanya cincin benzena yang lebih kaku, bahan menjadi rapuh. Penelitian telah menunjukkan bahwa ketahanan lelah busa poliuretan fleksibel menurun dengan meningkatnya format berbasis urea, biuret dan kelompok lainnya.

3, Beberapa aplikasi praktis poliuretan

(1) Baju renang kulit hiu

Baju renang kulit hiu merupakan julukan yang diberikan oleh orang-orang sesuai dengan ciri khas bentuknya. Teknologi intinya adalah meniru kulit hiu. Ahli biologi telah menemukan bahwa lipatan kasar berbentuk V pada permukaan kulit hiu dapat sangat mengurangi gesekan aliran air, membuat aliran air di sekitar tubuh mengalir lebih efisien, dan hiu dapat berenang dengan cepat. Permukaan serat super stretch dari fast skin seluruhnya terbuat dari permukaan kulit hiu. Selain itu, baju renang ini juga sepenuhnya mengintegrasikan prinsip-prinsip bionik: meniru tendon manusia pada jahitannya untuk memberikan kekuatan bagi atlet untuk melakukan pukulan mundur; Ini meniru kulit manusia pada kain dan elastis. Eksperimen menunjukkan bahwa serat kulit hiu dapat mengurangi daya tahan air hingga 3 persen , yang sangat penting dalam kompetisi renang di mana hasilnya dapat ditentukan dalam satu detik. Akar penyebab: "kulit hiu" menggunakan bahan serat poliuretan yang dapat meningkatkan daya apung.

Bahan apung padat adalah jenis bahan struktural berpori dengan kepadatan rendah dan kekuatan tinggi. Elastomer poliuretan yang disemprotkan pada permukaan material sebagai penghalang air dapat secara efektif mengurangi penyerapan air dan laju deformasi volume material, yang sangat penting untuk meningkatkan keamanan dan keandalan penggunaan bahan apung padat di bawah air

(2) Sol sepatu atlet

Karakteristik dasar poliuretan:

Sol poliuretan sangat ringan, dengan rasio viscose yang lebih baik daripada sol karet dan sol tendon sapi, dan kenyamanan yang lebih baik daripada sol karet dan sol tendon sapi.

Basis poliuretan, stabilitas dimensi yang baik dan masa penyimpanan yang lama; Ketahanan aus yang sangat baik dan ketahanan defleksi; Penyerapan goncangan yang sangat baik dan kinerja anti-selip; Ketahanan suhu yang baik; Ketahanan kimia yang baik, dll. Namun, basis poliuretan dapat dibagi menjadi dua jenis: basis poliuretan padat dan basis poliuretan berbusa.

Kepadatan poliuretan berbusa lebih rendah daripada poliuretan terenkripsi, poliuretan berbusa lebih lembut daripada poliuretan terenkripsi, berat poliuretan berbusa lebih ringan daripada poliuretan terenkripsi, dan biaya poliuretan berbusa setengah lebih murah daripada terenkripsi poliuretan. Kilauan poliuretan berbusa tidak seterang poliuretan padat; Ketahanan aus dari poliuretan berbusa tidak sebaik poliuretan padat

Ketahanan aus sol poliuretan terenkripsi adalah 5 kali lipat dari sol karet biasa, dan ketahanan aus sol poliuretan berbusa adalah 1/2 dari sol karet biasa.

Kinerja basis poliuretan:

Sol poliuretan biasanya membentuk berbagai gelembung dalam produksi dan elastis Ketahanan abrasi, cahaya, ketahanan kimia Anti korosi dan karakteristik lainnya, sepatu Pu terutama terbuat dari elastomer poliuretan mikro yang terasa lembut, nyaman, hangat, elastis dan tahan guncangan non-slip.

Sol poliuretan dibagi menjadi tipe enkripsi dan tipe berbusa. Sol poliuretan jenis enkripsi sangat ringan, lunak dan keras sedang, buatan tangan, tahan aus dan tahan lama, perawatan yang mudah, dan tidak mudah pecah. Basis poliuretan berbusa secara alami sangat lembut karena sedikit komponennya, tetapi tidak tahan aus dan sulit untuk membuka lem. Setelah dibuka, itu tidak dapat diperbaiki.

Sol poliuretan banyak digunakan dalam produksi sepatu kasual, sepatu olahraga, dan sepatu kerja Sandal. Sepatu turis, sepatu kulit pria dan wanita, sepatu pelindung, dll. Sol poliuretan dan bagian atasnya direkatkan dengan perekat. Karena ringan, tingkat degumming lebih rendah daripada sol karet.

(3) Lapisan poliuretan

Pertunjukan:

Ketahanan aus yang sangat baik

Ketahanan kimia dan minyak yang sangat baik

Adhesi yang kuat

Kinerja penyembuhan suhu rendah

Performa dekoratif tinggi

Keragaman kinerja dan penyesuaian. Melalui peningkatan formula, lapisan poliuretan dapat dibuat menjadi lapisan kekerasan tinggi atau lapisan elastis dengan fleksibilitas yang sangat baik, yang sangat memperkuat jangkauan aplikasi lapisan poliuretan.

Tahan suhu tinggi dan rendah.

Film ini tidak beracun setelah proses curing.

Pelapis poliuretan ramah lingkungan yang mengandung air tidak mengandung atau sangat sedikit pelarut organik

Tujuan:

Pelapis dinding eksterior pesawat.

Pelapis kayu.

Alat transportasi.

Lapisan anti korosi.

Pelapisan peralatan mesin dan instrumen.

Lapisan plastik.

Lapisan poliuretan banyak digunakan. Selain tujuan di atas, poliuretan akrilik dapat digunakan sebagai pelapis perekam magnetik, poliuretan poliester sebagai pelapis isolasi listrik, poliuretan elastis transparan sebagai pelapis antifogging, dll. Singkatnya, pelapis poliuretan dapat digunakan dalam industri otomotif, penerbangan, kelautan, konstruksi , plastik, elektromekanis, petrokimia dan bidang lainnya.

(4) Perekat poliuretan

Prinsip perekat:

Perekat poliuretan mengandung -nco- (isosianat) dan -nhcoo- (gugus karbamat) dengan polaritas dan aktivitas kimia yang kuat, serta memiliki daya rekat kimia yang sangat baik dengan substrat yang mengandung hidrogen aktif, seperti bahan berpori seperti busa, plastik, kayu, kulit, kain , kertas, keramik, dan bahan yang permukaannya halus seperti logam, kaca, karet, plastik, dll.

ciri:

Ini memiliki kekuatan geser dan ketahanan benturan yang sangat baik, cocok untuk berbagai bidang ikatan struktural, dan memiliki fleksibilitas yang sangat baik;

Perekat poliuretan dapat beradaptasi dengan adhesi substrat dengan koefisien ekspansi termal yang berbeda. Ini membentuk lapisan transisi keras yang lembut antara substrat, yang tidak hanya memiliki daya rekat yang kuat, tetapi juga memiliki fungsi bantalan dan peredam yang sangat baik;

Sifat suhu rendah dan suhu sangat rendah dari perekat poliuretan melebihi semua jenis perekat lainnya;

Perekat poliuretan yang terbawa air - perekat poliuretan yang terbawa air memiliki karakteristik pencemaran lingkungan yang rendah atau tidak ada dan tidak terbakar, yang merupakan arah pengembangan utama perekat poliuretan.