Kas yra Poliuretanas? Vadinamasis poliuretanas yra poliuretano, kuris susidaro reaguojant poliizocianatui ir polioliui, santrumpa, kurio molekulinėje grandinėje yra daug pasikartojančių uretano grupių (-NH-CO-O-). Faktinėje sintetinėje poliuretano dervoje, be uretano grupės, taip pat yra tokių grupių kaip karbamidas ir biuretas. Polioliai yra ilgos grandinės molekulės, kurių gale yra hidroksilo grupės, kurios vadinamos „minkštaisiais segmentais“, o poliizocianatai - „kietais segmentais“.
Poliuretano dervoje, kurią sukuria minkšti ir kieti segmentai, uretano yra tik mažuma, todėl nebūtinai tikslinga jį vadinti poliuretanu. Plačiąja prasme poliuretanas yra papildomas izocianato polimeras. Įvairių tipų izocianatai reaguoja su polihidroksi junginiais, sudarydami įvairių struktūrų poliuretanus ir taip gaunamos skirtingų savybių polimerinės medžiagos, tokios kaip plastikai, gumos, dangos, pluoštai, klijai ir kt.
Pirmą kartą poliuretano kaučiukas buvo sėkmingai sukurtas Vokietijoje 1940 m., o pramoninė gamyba buvo pradėta po 1952 m., o mano šalis buvo sukurta ir pradėta gaminti vidury-1960. Poliuretano kaučiukas priklauso specialios gumos rūšiai, kuri gaunama reaguojant polieteriui arba poliesteriui su izocianatu. Yra daug veislių dėl skirtingų žaliavų tipų, reakcijos sąlygų ir kryžminio susiejimo metodų. Pagal cheminę struktūrą yra poliesterio tipo ir polieterio tipo, o pagal apdorojimo būdą - trys tipai: maišymo, liejimo ir termoplastinio tipo.
Sintetinė poliuretano guma paprastai gaminama linijiniam poliesteriui arba polieteriui reaguojant su diizocianatu, kad būtų sudarytas mažos molekulinės masės prepolimeras. Po grandinės pratęsimo reakcijos susidaro didelės molekulinės masės polimeras, o po to pridedamas tinkamas kryžminio ryšio agentas, kad jį pašildytų. Sukietėjęs, kad taptų vulkanizuota guma, šis metodas vadinamas prepolimerizacijos metodu arba dviejų pakopų metodu. Taip pat galima naudoti vieno etapo metodą - linijinis poliesteris arba polieteris tiesiogiai sumaišomas su diizocianatu, grandinės ilgintuvu ir kryžminiu ryšiu, kad reakcija įvyktų ir susidarytų poliuretano kaučiukas.
Termoplastinis poliuretano kaučiukas (TPU): struktūra ir savybės
Termoplastinis poliuretano kaučiukas (TPU) yra (AB) n tipo blokinis linijinis polimeras, kur A - didelės molekulinės masės poliesteris arba polieteris (ilga grandinė, masė 1000-6000), B - 2-12 linijinės anglies atomų ilgio dioliai. Atominis diolis yra trumpa grandinė, o cheminių ryšių tarp AB segmentų sujungimas sudaro izocianatą. TPU turi unikalią struktūrą, leidžiančią reguliuoti mechanines savybes keičiant A ir B segmentų santykį.
Be pirminės TPU kryžminės struktūros, svarbu įvertinti antrinį kryžminį ryšį, kurį sudaro tarpmolekuliniai vandenilio ryšiai. Pirminis poliuretano kryžminis ryšys skiriasi nuo hidroksi kaučiuko vulkanizacijos; antriniai vandeniliniai ryšiai suteikia papildomą įtaką kūrinio savybėms. Kai temperatūra kyla, šis antrinis ryšys silpnėja ir išnyksta, leidžiant polimerui būti apdorojamam termoplastiniu būdu; kai temperatūra krenta, jis atsinaujina. Taip pat svarbu, kad stabilumo tvarka tarp poliuretano gumos grupių ranka būtų ištyrinėta: esteris, eteris, karbamidas, uretanas, biuretas - nuo didelio iki mažesnio stabilumo, o senėjimo procese pirmiausia pažeidžiamos biureto ir karbamido grupės.
TPU skirstomas į du tipus: poliesterio ir polieterio. Palyginus fizines savybes, poliesterio tipas paprastai geriau tinka mažo kietumo gumai, o polieterio tipas - didelio kietumo gumai. Poliesterio TPU pasižymi geresniu atsparumu alyvai, karščiui ir metalų sukibimui, o polieterio TPU - geresniu atsparumu hidrolizei, šalčiui ir antibakterinėmis savybėmis. Apskritai TPU turi gerą atsparumą temperatūrai: nuolatinė naudojimo temperatūra siekia apie 80-90 °C, trumpesniu laikotarpiu gali įveikti apie 120 °C.
Atsparumas vandeniui TPU priklauso nuo konstrukcijos; tyrimai rodo, kad hidrolizės atsparumas yra žemesnis esterių pagrindu pagamintu TPU nei polieteriniu TPU. Du pagrindiniai veiksniai - vanduo sudaro vandenilinius ryšius su poliarinėmis grupėmis, silpnindamas tarpolimerinį vandenilinių ryšių tinklą, ir hidrolizė, kuri yra negrįžtama.
TPU mechaninės savybės: tempiamasis stipris 28-42 MPa, pailgėjimas iki 400-600 %, kartais iki 1000 %. Elastingumas didelis, bet didelė šilumos nuostolių rizika dėl histerezės. Kietumas nustatomas Shore mastu, kurį galima reguliuoti nuo 10 iki 90. Plyšimo atsparumas aukštose temperatūrose gali būti labai stiprus (prilygsta stireno-butadieno gumos), o dilimo atsparumas dažnai geresnis už tradicines gumos medžiagas.
Liejamų (liejimo) poliuretano elastomerų ypatybės ir taikymas
Liejant poliuretano gumą gaunama skysta guma (liejimo elastomeras), kuri formuojama pilant skystą prepolimerą į formas ir kietėjant. Šie elastomatai yra ekonomiški, patikimi ir gali jungti aukštųjų technologijų plastikų, metalų ir keramikos pranašumus su gumos elastingumu. Jų trūkumai dažnai susiję su papildomomis priemaišomis, kurios gali paveikti ilgaamžiškumą ir atsparumą aukštoms temperatūroms.
Liejant galima naudoti silikono formas, kurios pasižymi geru detalumo atkūrimu (silikono formos susitraukimo rodiklis apie 1-4 %). Poliuretano derva yra pagrindinė žaliava liejimui, kuri turi gerą sklandumą ir formavimąsi, o kietumo, elastingumo ir dilimo atsparumo parametrai reguliuojami pagal poreikius. Taikant stiklo pluošto stiprinimą, polimeras įgauna didesnį tvirtumą ir atsparumą dilimui, o minkštas poliuretanas suteikia amortizaciją.
Liejimo technologijų įvairovė: vakuminis liejimas ir įprastas liejimas. Vakuminis liejimas naudoja vakuuminę šalinimo kamerą, kuri pašalina oro burbuliukus ir padeda užpildyti formą homogeniškai; po to taikomas papildomas spaudimas. Įprastas liejimas - tiesioginiam mišiniui pilti į formą ir kietėti. Procesai tinka mažoms ir vidutinėms partijoms, taip pat prototipų kūrimui ir sudėtingam dizainui.
TPU ir poliuretano dangos, klijai, sandarikliai ir elastomerai (CASE)
Poliuretano dangos gali pagerinti paviršiaus išvaizdą ir pailginti gaminio tarnavimo laiką; poliuretano klijai suteikia tvirtą sukibimą, o sandarikliai užtikrina patikimą sandarumą. Poliuretano elastomerai gali būti įformuojami į beveik bet kokią formą ir pasižymi dideliu atsparumu aplinkos veiksniams. TPU dažnai pritaikomas konstruktoriams, norint gauti įvairias mechanines savybes ir lengvai apdorojamą gaminį.
Reakcijos įpurškimo formavimas (RIM) naudojamas automobilių buferiuose, elektros plokštėse ir elektroninėje įrangoje, siekiant užtikrinti didelį stiprumą, šilumos izoliaciją, matmenų stabilumą ir aukštą dinaminį elastingumą. RIM technologija leidžia kurti sudėtingas dalis - storesnes ar plonasienes, su kapsuliuotom detalėmis ir putplasčio šerdimis. Taip pat plačiai naudojama statyboje, baldų pramonėje ir sporto prekių gamyboje.
Gamybos procesai: poliuretano liejimas, formų paruošimas ir 3D spausdinimas
Poliuretano liejimas dažnai naudojamas mažoms ir vidutinėms serijoms bei prototipų gamybai. 3D spausdinimas leidžia kurti individualius sprendimus ir greitai realizuoti sudėtingus dizaino elementus. Formos paruošimas yra kritinis: forma turi būti švari, užtpelta atpalaiduojančiomis medžiagomis, o ventiliacijos kanalai turi užtikrinti oro išėjimą liejimo metu. Svarbu nepertraukti kietėjimo proceso ir užtikrinti tolygų užpildymą, kad nebūtų oro burbulų ir defektų.
Medžiagos ir reikmenys liejimui apima silikonines formas, atpalaiduojančias medžiagas, mišinio dantis ir įrankius, įspaudimo įrankius, statines ir maišymo įrangą. Kruopštus visų komponentų matavimas, laikymasis gamintojo nurodymų ir tinkama apsauga užtikrina saugų ir kokybišką procesą.
Formos dizainas įtrauktas į svarbiausius aspektus: sriegio išardyti nuolydžiai, šalto šulinio įrengimas, bėgimo ir vartų dizaino parametrų derinimas, išmetimo griovelių gylio pritaikymas TPU tipui, bei aušinimo sistemos efektyvumo užtikrinimas. Be to, žinoma, sumažinti susidarymą dėl vietinio klijų padėčių bei laikyti dėmesį į temperatūros režimą ir lydymosi greitį.
Žaliavų paruošimas, džiovinimas ir apdorojimo kontrolės taškai
Prieš įpurškimą TPU dažnai džiovinamas 80-110 °C temperatūroje 2-3 valandas, kad išvengti drėgmės įsiskverbimo, kuris blogina mechanines savybes ir gali sukelti elastingumo praradimą. Statinės valymas - kruopštus valymas iš likusių kitų žaliavų. Apdorojimo temperatūra ir laikas turi įtakos gaminio dydžiui, išvaizdai ir deformacijai; norint mažesnio susitraukimo temperatūrą gali būti padidinta, o didesniam - sumažinta. Be to, purkštukų temperatūra turi būti keliais laipsniais aukštesnė už priekinio galo temperatūrą.
Įpurškimo greitis ir laikymo laikas turi būti subalansuoti norint užtikrinti gerą molekulinę orientaciją ir mažesnį deformaciją. Paskui lydymosi greitis ir priešslėgis turi būti kontroliuojami siekiant išvengti terminio skilimo. Taip pat svarbu, kad TPU drėgmė būtų mažiau kaip 0,2 proc., nes didesnė drėgmė blogina mechanines savybes ir sukelia elastingumo praradimą.
3D spausdinimas ir prototipavimas poliuretano kontekste
3D spausdinimas suteikia galimybę greitai kurti prototipus, kurių paviršiaus kokybė ir matmenys svarbūs. Modelio paviršiaus lygiškumas tiesiogiai įtakoja galutinio produkto kokybę. Modelio sienelių storis turėtų būti nuoseklus ir svyruoti nuo 1,5 mm iki 4 mm, o absoliutus minimumas - 1 mm. Pagrindinis modelis dažnai yra atsakingas už kopijos tikslumą, o gamybos dėžėje naudojama teigiamas modelis. Prieš silikoninę formą kuriant liejimo dėžę reikalinga projektavimo dalis: šerdis, įdėklai, vartai, išmetimo vamzdis ir vakuumiškai sukurta aplinka.
Gamybos praktika: paskirtis ir sektoriai
- Automobilių pramonė: MRTada, RIM procesai ir elastinės dangos, komponentų mišrios konstrukcijos.
- Baldų ir statybos sektorius: lakštinės dangos, klijai, sandarikliai, šildymo izoliacija ir kt.
- Elektronika ir medikamentai: apsaugos, izoliacija, vamzdžiai ir laikikliai, įpurškimo prietaisai.
- Jūrinė pramonė: vandens atsparūs ir atsparūs korozijai šaltiniai, laivų dalys, garso izoliacija ir lengvas svoris.
- Drabužių ir tekstilės pramonė: ploni siūlai, elastomerai ir spandekso pluoštai, suteikiantys komfortą ir judrumą.
Apibendrinimas apie poliuretano liejimo gumos savybes ir naudojimą
Poliuretano gumos savybės yra gana plataus spektro dėl struktūros: A ir B segmentų derinimo, kryžminio ir antrinio ryšio, bei polimerinių grandinių lankstumo. TPU suteikia dar platesnę pavyzdžių įvairovę, leisdama pasirinkti poliesterio ar polieterio pagrindą, atitinkamai siekiant atsparumo hidrolizei, temperatūrai, vandeniui ir antibakterinėms savybėms. Liejant gali būti kuriami įvairūs gaminiai - nuo elastomerių iki kietų dangų ir dažą atlaikančių klijinių sistemas. Gamyba gali apimti vakuminį liejimą, RIM technologijas, įterpimo ir termoplastinį liejimą, o 3D spausdinimas leidžia pritaikyti individualius sprendimus ir greitai kurti prototipus.
Poliuretano guma ir TPU yra vertingi pramonėje dėl savo ilgaamžiškumo, atsparumo oro sąlygoms, temperatūros pokyčiams, mechaninių savybių reguliavimo galimybių ir išskirtinio atsparumo dilimui. Tačiau priklausymas esterių ar eterio pagrindui lemia hidroliuzės atsparumą, o vandenynų aplinkoje reikalingos specialios priemonės apsaugai nuo UV spindulių, antikorozinių priedų ir kt. Tam tikros sudėtinės medžiagos gali pagerinti atsparumą aukštai temperatūrai, tačiau taip pat gali būti ir silpnybė. Išvada: poliuretanas gali būti tiek plastikas, tiek guma, priklausomai nuo jos molekulinių grandžių ir kryžminimo likučių.
tags: #poliuretano #liejimo #guma