شهاب ذکری
معرفی:
پلییورتانهاي گرمانرم دستهای از مواد هستند که در موارد بسیار زیادی اعم از فیلم, ليف, چسب و پوششها خواص خوبی از خود نشان میدهند. پلييورتانهاي گرمانرم بطور کلی از سه قسمت اصلی ساخته شدهاند:
1- یک دیال از پلیاستر یا پلیاتر با جرم مولکولی زياد
2- یک دیال با جرم مولکولی کمتر به عنوان زنجیرافزا (يازهي زنجير)
3- دیایزوسیانات برای مثال MDI
بطور کلی زنجير پلییورتانهاي گرمانرم از دو قسمت تشکیل میشود: سگمنت نرم وسگمنت سخت
سگمنت نرم: شامل زنجیرهای نرم و طولانی پلیاستری و پلیاتری هستند که قسمتهای سخت را به هم متصل میکند.
سگمنت سخت: شامل اتصال زنجیر افزاها (يازهها) به دیایزو سیاناتها هستند.
سگمنتهاي نرم مسئول خواص كشسان پلییورتان گرمانرم هستند و سگمنتهاي سخت نيز وظیفهی اتصال و گره زدن سگمنت هاي نرم را دارند و هم به عنوان اتصالات عرضی و هم به عنوان پرکننده عمل میکنند.
خواص پلییورتانها وابسته به موارد زیر است:
1- نوع مواد اولیه
2- جرم مولکولی مواد اولیه
3- نسبت مواد اولیه
بسته به تغییر موارد فوق خواص محصول از یک بسپار سخت وسفت تا یک بسپار نرم و منعطف قابل تغییر است.
تغییرات جرم مولکولی با نسبت NCO/OH
مواد اولیه سگمنتهای نرم:
سگمنتهای نرم کنترلکننده خواص در دمای كم, مقاومت در برابر حلال و مقاومت در برابر هوا میباشند.
انواع مواد اولیه سگمنت نرم
خواص:
سهم سگمنت های نرم در پلییورتانهاي گرمانرم خواص خاصی را نشان میدهند که شامل سختی, مدول, مقاومت پارگی و کاربری ماده در دمای بالا میباشد و همچنین سگمنتهای نرم خواص كشسان و خواص کاربری در دمای كم را کنترل میکنند.
تغییرات نسبت دی ایزوسیانات:زنجیر افزا:پلی ال از 1:0.5:1.5 برای درجه های نرم (مقدارshoreA در حدود 60 ) تا 1:20:21 برای درجههای سخت (مقدار shoreD بالای70( بدون استفاده از نرمکنندهها باعث محدوده وسیعی از محصولات گرمانرم میشود.
این تغییرات نسبت دی ایزوسیانات:زنجیرافزا: پلیال باعث تغییرات مدول از 5 تا 2000 مگاپاسکال میشود.
تغییرات ماهیت ماده
خواص مکانیکی:
پلییورتانهاي گرمانرم تغییر طول بسیار زیاد و مقاومت کششی بالایی از خود نشان میدهند. شکل-5 منحنی تنش-کرنش انواع پلییورتان گرمانرم را نشان میدهد.
افزون بر این پلییورتانهاي گرمانرم دارای خواص استثنایی مقاومت در برابر پارگی و سایش هستند. باید توجه داشت که این خواص تابع دما و سختی گرمانرم پلییورتان میباشد.
-خواص تنش-کرنش:
پلییورتانهاي گرمانرم استحكام کششی و توانائي افزايش طول بالایی دارند. بسته به ساختار شیمیایی و سختیهای متفاوت, استحکام کششیTPU ها از 25 تا 75 مگاپاسکال متغیر است. باور بر این است که منحنی تنش-کرنش توسط عوامل زیر کنترل میشوند:
- نسبت سگمنت سخت به سگمنت نرم
- طول سگمنت نرم
- بلورينگي سگمنت سخت
-سختی:
سختی ماده خاصیتی از آن ماده است که در برابر تغییر شکل مقاومت میکند. در مورد پلییورتانهاي گرمانرم به علت ماهیت همبسپاری آنها تغییرات سختی بسیار زیاد است (از Shore 70 A تا Shore 80 D) و این محدوده با توجه به نسبت سگمنت سخت به سگمنت نرم تعیین شده است.
- خواص دینامیکی:
پلییورتانهاي گرمانرم از اتلاف مکانیکی بالاتری نسبت به سایر بسپارها برخوردارند.
عامل اتلاف مکانیکی و مدول ذخیره بر حسب دما برای پلی یورتانهای گرمانرم مختلف
خواص گرمایی:
پلییورتانهاي گرمانرم قابلیت استفاده کوتاه مدت در محدوده دمایی -40°C to 80°C و استفاده بلند مدت در محدوده دمایی تا 120°C را دارند. موارد زیر در بالا بردن محدوده کاربری دمایی موثرند:
- وجود سگمنت سخت
- نوع و مقدار زنجیرافزا
- نوعدیایزوسیانات
مقاومت گرمایی گرمانرم پلییورتانهاي به شدت تابع ساختار ایزوسیانات و زنجیرافزا است.
دیگر خواص گرمایی گرمانرم پلی یورتان ها
- مقاومت شیمیایی:
بطور کلی پلییورتانهاي گرمانرم در برابر روغنهای معدنی, روغنهای دیزلی و گریسها مقاوم هستند. همچنین در برابر گازوییلها و سوختهای نفتی که شامل الکل نباشند مقاومت بالایی نشان میدهند. حلالهای غیر قطبی همچون هگزان و هپتان تقریبا اثری بر گرمانرم پلییورتانها ندارند در حالیکه هیدروکربنهای کلرینه و آروماتیک اثر بسیار زیادی بر متورم شدن دارند. همچنین پلییورتانهاي گرمانرم به شدت تحت حملهی اسیدها و بازها قرار میگیرند.
-مقاومت سایشی:
پلییورتانهاي گرمانرم مقاومت بسیار بالایی در برابر ساییدگی نشان میدهند.
مقایسه مقاومت سایشی گرمانرم پلی یورتان با سایر مواد
- رئولوژی گرمانرم پلییورتانها:
تحت شرایط فرایندی پلییورتانهاي گرمانرم گرانروي بالاتری از خود نشان میدهند.
غییرات گرانروي با دما
-جذب رطوبت:
پلییورتانهاي گرمانرم در معرض هوا رطوبت جذب میکنند. مقدار جذب تعادلی بستگی به رطوبت محیط دارد. ضمنا باید توجه داشت که میزان رطوبت مجاز دوز مواد برای فرایند شدن حداکثر 0.05% است
اتصال TPU به سایر مواد
-اکستروژن:
پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند توسط تمامی اکسترودرهای مدرن تکماردان فرایند شوند. منتها شرط لازم برای این گونه اکسترودر ها نسبت L/D حداقل 24:1 است. نکته حائز اهمیت این است که به محض خروج محصول از اکسترودر باید انرا یا توسط غرق کردن درآب سرد و یا با عبور گاز نیتروژن باید آنرا سرد کنیم. پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند توسط روشهای زیر اکسترود شوند:
- فیلمها و صفحه های اکسترود شده
-فیلمهای قالبگیری شده
- فیلمهای دمشی
- لوله
- پروفیل
- فرایندهای دیگر:
-غلتکزنی: ورقهای پیوسته, فیلم و روکشدهی توسط آسياي دوغلتكي انجام میشوند.
- گرماشکلدهی: TPU به تنهایی از این روش تهیه نمیشوند اما مخلوط آنها با دیگر بسپارها مانند ABS میتواند از این روش تولید شود.
- آلیاژ TPU با دیگر بسپارها:
پلییورتانهاي گرمانرم با سایر مواد بسپاری قابلیت آلیاژ شدن دارند اما با پلیالفینها سازگار نیستند. همچنین پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند به عنوان اصلاحکننده به کار بروند که باعث افزایش استحکام ضربه پلاستیکهای با مدول بالا میشود.
همچنین میتوان از آنها برای افزایش چسبندگی لاستيكهاي گرمانرم با قطبیت کم استفاده کرد. همچنین به عنوان نرم کنندهی پایدار PVC ها کاربرد دارد.
پلییورتان گرمانرم با پلیکربنات هم قابل آلیاژ شدن است که به راحتی هم فرایند میشود و مدول آلیاژ در حدود 1000 مگا پاسکال است.
پلییورتان گرمانرم با ABS هم در محدوده کامل ترکیب درصد قابل اختلاط است و با افزودن درصد ABS مدول افزایش یافته و مقاومت سایشی و پارگی کم میشود. همچنین آلیاژهای زیادی از گرمانرم پلی یورتان با همبسپارهای استایرن گزارش شده است.
کاربردها:
کاربرد پلییورتانهاي گرمانرم در صنایع مختلف بسیار گسترده میباشد و هم اکنون بیش از صد ها مورد کاربرد آن گزارش شده است که به برخی از آنها میپردازیم:
- صندلیهای اداری:
- فناوري ارتوپدی:
- عینک سازی:
- دوربین ها:
- شلنگ ها:
- اتلاف کننده در مواردی که اصطکاک بالاست :
- المان هایی برای کاهش لرزش دست:
- المان های کاهش لرزش موتورهای الکتریکی:
- وسایل ورزشی:
- تجهیزات باربری :
- کفش:
- صنعت چرم:
- کابلها:
- و به علت تعدد روش های فرایند, تنوع در اشکال محصولات:
نتیجه گیری:
پلییورتانهاي گرمانرم نوعی از لاستيكهاي گرمانرم هستند که به علت ساختار متفاوت و منحصر بفردشان کارایی و قابلیتهای گوناگونی یافتهاند و بسیار مورد استفاده هستند.
در واقع این دسته از بسپارها به واسطه تغییر در ترکیب درصد و نوع اجزاع سازندهشان دارای درجههای متنوعی هستند و به اصطلاح سفارشی و قابل دوخت هستند یعنی طراح ماده به مانند یک خیاط زبردست این قابلیت را دارد که مواد اولیه گوناگون را کنار هم گذاشته و از آنها انواع مختلفی از پلییورتانهاي گرمانرم را بسازد.
نکته دیگری که حائز اهمیت است نوع رفتار ماده است که حد واسطی است بین پلاستیک ها و لاستيكها است با این تفاوت که قابلیت فرایند پذیری از انواع روشهای شکلدهی پلاستیک ها را دارد و این باعث کاربری روزافزون آن شده است.
واژه نامه:
زنجیر افزا (يازه) Chain extender
سگمنت ترم Soft segment
سگمنت سخت Hard segment
اتصالات عرضی crosslink
پرکننده filler
نرم soft
مقاومت در برابر پارگی Tear strength
گونه grade
نرم کننده plasticizer
استحکام کششی Tensile strength
کشیدگی , تغییر طول elongation
سختي hardness
استحکام stiffness
خواص دینامیکی Dynamic properties
اتلاف مکانیکی Mechanical damping
گرمای ذوب Heat of fusion
ضریب انبساط خطی Linear expansion coefficient
مقاومت شیمیایی Chemical resistance
تورم swelling
قالبگیری تزریقی Injection molding
ماردان screw
فیلم و ورق اکسترود شده Extruded sheet & film
فیلم تخت Cast film
فیلم دمشی Blown film
غلطک زنی calendering
قالبگیری دمشی Blow molding
گرماشکلدهی Thermo forming
سفارشی, دوخته شده Tailor made
سخت rigid
منابع:
[1]handbook of thermoplastic elastomers, Jiri George Drobny, Published by: William Andrew Publishing,2007
[2] Bonart, R., J. Macromol. Sci. B2
[3] Hoppe, H.-G., and Wussow, H.-G., in Polyurethane Handbook (Oertel, G., Ed.), Hanser
Publishers, Munich, 1993
[4] http://www.polyurethane.org/s_api/se...D=910&DID=3623
[5 ]اسفنج های پلی یورتان منعطف,تالیف:جرج وودز,ترجمه: دکتر گیتی میر محمد صادقی,نشر دلفین
ایران پلیمر
معرفی:
پلییورتانهاي گرمانرم دستهای از مواد هستند که در موارد بسیار زیادی اعم از فیلم, ليف, چسب و پوششها خواص خوبی از خود نشان میدهند. پلييورتانهاي گرمانرم بطور کلی از سه قسمت اصلی ساخته شدهاند:
1- یک دیال از پلیاستر یا پلیاتر با جرم مولکولی زياد
2- یک دیال با جرم مولکولی کمتر به عنوان زنجیرافزا (يازهي زنجير)
3- دیایزوسیانات برای مثال MDI
بطور کلی زنجير پلییورتانهاي گرمانرم از دو قسمت تشکیل میشود: سگمنت نرم وسگمنت سخت
سگمنت نرم: شامل زنجیرهای نرم و طولانی پلیاستری و پلیاتری هستند که قسمتهای سخت را به هم متصل میکند.
سگمنت سخت: شامل اتصال زنجیر افزاها (يازهها) به دیایزو سیاناتها هستند.
سگمنتهاي نرم مسئول خواص كشسان پلییورتان گرمانرم هستند و سگمنتهاي سخت نيز وظیفهی اتصال و گره زدن سگمنت هاي نرم را دارند و هم به عنوان اتصالات عرضی و هم به عنوان پرکننده عمل میکنند.
خواص پلییورتانها وابسته به موارد زیر است:
1- نوع مواد اولیه
2- جرم مولکولی مواد اولیه
3- نسبت مواد اولیه
بسته به تغییر موارد فوق خواص محصول از یک بسپار سخت وسفت تا یک بسپار نرم و منعطف قابل تغییر است.
تغییرات جرم مولکولی با نسبت NCO/OH
مواد اولیه سگمنتهای نرم:
سگمنتهای نرم کنترلکننده خواص در دمای كم, مقاومت در برابر حلال و مقاومت در برابر هوا میباشند.
انواع مواد اولیه سگمنت نرم
خواص:
سهم سگمنت های نرم در پلییورتانهاي گرمانرم خواص خاصی را نشان میدهند که شامل سختی, مدول, مقاومت پارگی و کاربری ماده در دمای بالا میباشد و همچنین سگمنتهای نرم خواص كشسان و خواص کاربری در دمای كم را کنترل میکنند.
تغییرات نسبت دی ایزوسیانات:زنجیر افزا:پلی ال از 1:0.5:1.5 برای درجه های نرم (مقدارshoreA در حدود 60 ) تا 1:20:21 برای درجههای سخت (مقدار shoreD بالای70( بدون استفاده از نرمکنندهها باعث محدوده وسیعی از محصولات گرمانرم میشود.
این تغییرات نسبت دی ایزوسیانات:زنجیرافزا: پلیال باعث تغییرات مدول از 5 تا 2000 مگاپاسکال میشود.
تغییرات ماهیت ماده
خواص مکانیکی:
پلییورتانهاي گرمانرم تغییر طول بسیار زیاد و مقاومت کششی بالایی از خود نشان میدهند. شکل-5 منحنی تنش-کرنش انواع پلییورتان گرمانرم را نشان میدهد.
افزون بر این پلییورتانهاي گرمانرم دارای خواص استثنایی مقاومت در برابر پارگی و سایش هستند. باید توجه داشت که این خواص تابع دما و سختی گرمانرم پلییورتان میباشد.
-خواص تنش-کرنش:
پلییورتانهاي گرمانرم استحكام کششی و توانائي افزايش طول بالایی دارند. بسته به ساختار شیمیایی و سختیهای متفاوت, استحکام کششیTPU ها از 25 تا 75 مگاپاسکال متغیر است. باور بر این است که منحنی تنش-کرنش توسط عوامل زیر کنترل میشوند:
- نسبت سگمنت سخت به سگمنت نرم
- طول سگمنت نرم
- بلورينگي سگمنت سخت
-سختی:
سختی ماده خاصیتی از آن ماده است که در برابر تغییر شکل مقاومت میکند. در مورد پلییورتانهاي گرمانرم به علت ماهیت همبسپاری آنها تغییرات سختی بسیار زیاد است (از Shore 70 A تا Shore 80 D) و این محدوده با توجه به نسبت سگمنت سخت به سگمنت نرم تعیین شده است.
- خواص دینامیکی:
پلییورتانهاي گرمانرم از اتلاف مکانیکی بالاتری نسبت به سایر بسپارها برخوردارند.
عامل اتلاف مکانیکی و مدول ذخیره بر حسب دما برای پلی یورتانهای گرمانرم مختلف
خواص گرمایی:
پلییورتانهاي گرمانرم قابلیت استفاده کوتاه مدت در محدوده دمایی -40°C to 80°C و استفاده بلند مدت در محدوده دمایی تا 120°C را دارند. موارد زیر در بالا بردن محدوده کاربری دمایی موثرند:
- وجود سگمنت سخت
- نوع و مقدار زنجیرافزا
- نوعدیایزوسیانات
مقاومت گرمایی گرمانرم پلییورتانهاي به شدت تابع ساختار ایزوسیانات و زنجیرافزا است.
دیگر خواص گرمایی گرمانرم پلی یورتان ها
- مقاومت شیمیایی:
بطور کلی پلییورتانهاي گرمانرم در برابر روغنهای معدنی, روغنهای دیزلی و گریسها مقاوم هستند. همچنین در برابر گازوییلها و سوختهای نفتی که شامل الکل نباشند مقاومت بالایی نشان میدهند. حلالهای غیر قطبی همچون هگزان و هپتان تقریبا اثری بر گرمانرم پلییورتانها ندارند در حالیکه هیدروکربنهای کلرینه و آروماتیک اثر بسیار زیادی بر متورم شدن دارند. همچنین پلییورتانهاي گرمانرم به شدت تحت حملهی اسیدها و بازها قرار میگیرند.
-مقاومت سایشی:
پلییورتانهاي گرمانرم مقاومت بسیار بالایی در برابر ساییدگی نشان میدهند.
مقایسه مقاومت سایشی گرمانرم پلی یورتان با سایر مواد
- رئولوژی گرمانرم پلییورتانها:
تحت شرایط فرایندی پلییورتانهاي گرمانرم گرانروي بالاتری از خود نشان میدهند.
غییرات گرانروي با دما
-جذب رطوبت:
پلییورتانهاي گرمانرم در معرض هوا رطوبت جذب میکنند. مقدار جذب تعادلی بستگی به رطوبت محیط دارد. ضمنا باید توجه داشت که میزان رطوبت مجاز دوز مواد برای فرایند شدن حداکثر 0.05% است
اتصال TPU به سایر مواد
-اکستروژن:
پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند توسط تمامی اکسترودرهای مدرن تکماردان فرایند شوند. منتها شرط لازم برای این گونه اکسترودر ها نسبت L/D حداقل 24:1 است. نکته حائز اهمیت این است که به محض خروج محصول از اکسترودر باید انرا یا توسط غرق کردن درآب سرد و یا با عبور گاز نیتروژن باید آنرا سرد کنیم. پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند توسط روشهای زیر اکسترود شوند:
- فیلمها و صفحه های اکسترود شده
-فیلمهای قالبگیری شده
- فیلمهای دمشی
- لوله
- پروفیل
- فرایندهای دیگر:
-غلتکزنی: ورقهای پیوسته, فیلم و روکشدهی توسط آسياي دوغلتكي انجام میشوند.
- گرماشکلدهی: TPU به تنهایی از این روش تهیه نمیشوند اما مخلوط آنها با دیگر بسپارها مانند ABS میتواند از این روش تولید شود.
- آلیاژ TPU با دیگر بسپارها:
پلییورتانهاي گرمانرم با سایر مواد بسپاری قابلیت آلیاژ شدن دارند اما با پلیالفینها سازگار نیستند. همچنین پلییورتانهاي گرمانرم میتوانند به عنوان اصلاحکننده به کار بروند که باعث افزایش استحکام ضربه پلاستیکهای با مدول بالا میشود.
همچنین میتوان از آنها برای افزایش چسبندگی لاستيكهاي گرمانرم با قطبیت کم استفاده کرد. همچنین به عنوان نرم کنندهی پایدار PVC ها کاربرد دارد.
پلییورتان گرمانرم با پلیکربنات هم قابل آلیاژ شدن است که به راحتی هم فرایند میشود و مدول آلیاژ در حدود 1000 مگا پاسکال است.
پلییورتان گرمانرم با ABS هم در محدوده کامل ترکیب درصد قابل اختلاط است و با افزودن درصد ABS مدول افزایش یافته و مقاومت سایشی و پارگی کم میشود. همچنین آلیاژهای زیادی از گرمانرم پلی یورتان با همبسپارهای استایرن گزارش شده است.
کاربردها:
کاربرد پلییورتانهاي گرمانرم در صنایع مختلف بسیار گسترده میباشد و هم اکنون بیش از صد ها مورد کاربرد آن گزارش شده است که به برخی از آنها میپردازیم:
- صندلیهای اداری:
- فناوري ارتوپدی:
- عینک سازی:
- دوربین ها:
- شلنگ ها:
- اتلاف کننده در مواردی که اصطکاک بالاست :
- المان هایی برای کاهش لرزش دست:
- المان های کاهش لرزش موتورهای الکتریکی:
- وسایل ورزشی:
- تجهیزات باربری :
- کفش:
- صنعت چرم:
- کابلها:
- و به علت تعدد روش های فرایند, تنوع در اشکال محصولات:
نتیجه گیری:
پلییورتانهاي گرمانرم نوعی از لاستيكهاي گرمانرم هستند که به علت ساختار متفاوت و منحصر بفردشان کارایی و قابلیتهای گوناگونی یافتهاند و بسیار مورد استفاده هستند.
در واقع این دسته از بسپارها به واسطه تغییر در ترکیب درصد و نوع اجزاع سازندهشان دارای درجههای متنوعی هستند و به اصطلاح سفارشی و قابل دوخت هستند یعنی طراح ماده به مانند یک خیاط زبردست این قابلیت را دارد که مواد اولیه گوناگون را کنار هم گذاشته و از آنها انواع مختلفی از پلییورتانهاي گرمانرم را بسازد.
نکته دیگری که حائز اهمیت است نوع رفتار ماده است که حد واسطی است بین پلاستیک ها و لاستيكها است با این تفاوت که قابلیت فرایند پذیری از انواع روشهای شکلدهی پلاستیک ها را دارد و این باعث کاربری روزافزون آن شده است.
واژه نامه:
زنجیر افزا (يازه) Chain extender
سگمنت ترم Soft segment
سگمنت سخت Hard segment
اتصالات عرضی crosslink
پرکننده filler
نرم soft
مقاومت در برابر پارگی Tear strength
گونه grade
نرم کننده plasticizer
استحکام کششی Tensile strength
کشیدگی , تغییر طول elongation
سختي hardness
استحکام stiffness
خواص دینامیکی Dynamic properties
اتلاف مکانیکی Mechanical damping
گرمای ذوب Heat of fusion
ضریب انبساط خطی Linear expansion coefficient
مقاومت شیمیایی Chemical resistance
تورم swelling
قالبگیری تزریقی Injection molding
ماردان screw
فیلم و ورق اکسترود شده Extruded sheet & film
فیلم تخت Cast film
فیلم دمشی Blown film
غلطک زنی calendering
قالبگیری دمشی Blow molding
گرماشکلدهی Thermo forming
سفارشی, دوخته شده Tailor made
سخت rigid
منابع:
[1]handbook of thermoplastic elastomers, Jiri George Drobny, Published by: William Andrew Publishing,2007
[2] Bonart, R., J. Macromol. Sci. B2
[3] Hoppe, H.-G., and Wussow, H.-G., in Polyurethane Handbook (Oertel, G., Ed.), Hanser
Publishers, Munich, 1993
[4] http://www.polyurethane.org/s_api/se...D=910&DID=3623
[5 ]اسفنج های پلی یورتان منعطف,تالیف:جرج وودز,ترجمه: دکتر گیتی میر محمد صادقی,نشر دلفین
ایران پلیمر