شرح شامل لمواد البولي يوريثين الحراري

في عام ١٩٥٨، سجلت شركة جودريتش للكيماويات (التي أعيد تسميتها لاحقًا إلى لوبريزول) علامة إيستان التجارية لمادة البولي يوريثين الحراري (TPU) لأول مرة. وعلى مدار الأربعين عامًا الماضية، ظهر أكثر من ٢٠ علامة تجارية حول العالم، ولكل علامة تجارية عدة سلاسل من المنتجات. وتشمل أبرز الشركات المصنعة للمواد الخام لمادة البولي يوريثين الحراري حاليًا: BASF، وCovestro، ولوبريزول، وشركة هانتسمان، ومجموعة وان هوا الكيميائية، وشركة شنغهاي هينغ آن، وشركة روي هوا، وشركة شوتشوان الكيميائية، وغيرها.

1. فئة مادة TPU

وفقًا لبنية الجزء الناعم، يمكن تقسيمه إلى نوع البوليستر، ونوع البولي إيثر، ونوع البوتادين، والتي تحتوي على التوالي على مجموعة الإستر، أو مجموعة الإيثر، أو مجموعة البوتين.

بحسب بنية الجزء الصلب، يمكن تقسيمها إلى نوع اليوريثان ونوع اليوريثان اليوريا، واللذان يُستخلصان على التوالي من مُطيلات سلسلة الإيثيلين جليكول أو مُطيلات سلسلة ثنائي الأمين. ويُصنف النوع عادةً إلى نوع البوليستر ونوع البولي إيثر.

بحسب وجود أو عدم وجود الترابط المتشابك، يمكن تقسيمه إلى لدائن حرارية نقية ولدائن حرارية شبه نقية.

الأول له بنية خطية نقية ولا يحتوي على روابط متقاطعة؛ أما الأخير فيحتوي على كمية صغيرة من الروابط المتقاطعة مثل إستر حمض الألوفانيك.

بحسب استخدام المنتجات النهائية، يمكن تقسيمها إلى أجزاء ذات شكل محدد (عناصر الآلات المختلفة)، وأنابيب (أغلفة، وقضبان)، وأغشية (صفائح، وألواح رقيقة)، ومواد لاصقة، وطلاءات، وألياف، وما إلى ذلك.

2- تخليق البولي يوريثان الحراري

ينتمي البولي يوريثان الحراري (TPU) إلى البولي يوريثان من حيث التركيب الجزيئي. فكيف تجمعت هذه المادة؟

وفقًا لعمليات التخليق المختلفة، يتم تقسيمها بشكل أساسي إلى بلمرة الكتلة وبلمرة المحلول.

في عملية البلمرة الكتلية، يمكن أيضاً تقسيمها إلى طريقة البلمرة المسبقة وطريقة الخطوة الواحدة بناءً على وجود أو عدم وجود تفاعل مسبق:

تتضمن طريقة ما قبل البلمرة تفاعل ثنائي إيزوسيانات مع ثنائيات جزيئية كبيرة لفترة زمنية معينة قبل إضافة امتداد السلسلة لإنتاج البولي يوريثان الحراري (TPU)؛

تتضمن الطريقة ذات الخطوة الواحدة خلط وتفاعل ثنائيات الهيدروكسيل الجزيئية الكبيرة، وثنائي إيزوسيانات، ومطيلات السلسلة في وقت واحد لتشكيل مادة TPU.

تتضمن عملية البلمرة في المحلول أولاً إذابة ثنائي إيزوسيانات في مذيب، ثم إضافة ثنائيات جزيئية كبيرة للتفاعل لفترة زمنية معينة، وأخيراً إضافة موسعات السلسلة لتوليد البولي يوريثان الحراري.

يمكن أن يؤثر نوع الجزء الناعم من مادة TPU، والوزن الجزيئي، ومحتوى الجزء الصلب أو الناعم، وحالة تجميع مادة TPU على كثافة مادة TPU، بكثافة تتراوح بين 1.10 و1.25 تقريبًا، ولا يوجد فرق كبير مقارنة بالمطاط والبلاستيك الأخرى.

عند نفس الصلابة، تكون كثافة مادة البولي يوريثين الحراري من نوع البولي إيثر أقل من كثافة مادة البولي يوريثين الحراري من نوع البوليستر.

3- معالجة مادة البولي يوريثين الحراري

تتطلب جزيئات البولي يوريثين الحراري عمليات متنوعة لتشكيل المنتج النهائي، وذلك باستخدام طرق الصهر والحل بشكل أساسي لمعالجة البولي يوريثين الحراري.

تُعد عملية الصهر عملية شائعة الاستخدام في صناعة البلاستيك، مثل الخلط والدرفلة والبثق والنفخ والقولبة؛

المعالجة بالمحلول هي عملية تحضير محلول عن طريق إذابة الجزيئات في مذيب أو بلمرتها مباشرة في مذيب، ثم تغليفها وغزلها وما إلى ذلك.

المنتج النهائي المصنوع من مادة TPU لا يتطلب عمومًا تفاعل ربط متقاطع بالكبريت، مما يمكن أن يقصر دورة الإنتاج ويعيد تدوير المواد المهدرة.

4- أداء مادة TPU

يتميز البولي يوريثين الحراري (TPU) بمعامل مرونة عالٍ، وقوة عالية، واستطالة عالية، ومرونة عالية، ومقاومة ممتازة للتآكل، ومقاومة للزيوت، ومقاومة لدرجات الحرارة المنخفضة، ومقاومة للشيخوخة.

تُعد قوة الشد العالية والاستطالة العالية ومعدل التشوه الدائم المنخفض للضغط على المدى الطويل من المزايا الهامة لمادة البولي يوريثين الحراري (TPU).

سيتناول XiaoU بشكل أساسي الخصائص الميكانيكية لمادة TPU من جوانب مثل قوة الشد والاستطالة والمرونة والصلابة وما إلى ذلك.

قوة شد عالية واستطالة عالية

يتميز البولي يوريثان الحراري (TPU) بقوة شد واستطالة ممتازتين. من البيانات الموضحة في الشكل أدناه، نلاحظ أن قوة الشد والاستطالة للبولي يوريثان الحراري من نوع البولي إيثر أفضل بكثير من تلك الخاصة بالبلاستيك والمطاط المصنوعين من كلوريد البولي فينيل.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يلبي البولي يوريثين الحراري متطلبات صناعة الأغذية مع القليل من الإضافات أو بدونها أثناء المعالجة، وهو أمر يصعب تحقيقه بالنسبة لمواد أخرى مثل البولي فينيل كلوريد والمطاط.

تتأثر القدرة على التحمل بدرجة الحرارة بشكل كبير

تشير مرونة البولي يوريثان الحراري (TPU) إلى مدى سرعة عودته إلى حالته الأصلية بعد زوال إجهاد التشوه، ويُعبر عنها بطاقة الاستعادة، وهي نسبة شغل الانكماش الناتج عن التشوه إلى الشغل اللازم لإحداث التشوه. وتعتمد هذه المرونة على معامل المرونة الديناميكي والاحتكاك الداخلي للجسم المرن، وتتأثر بشدة بدرجة الحرارة.

يقل ارتداد المادة مع انخفاض درجة الحرارة حتى تصل إلى درجة حرارة معينة، ثم تعود المرونة للارتفاع بسرعة. هذه الدرجة هي درجة حرارة تبلور الجزء المرن، والتي تحددها بنية ثنائي الهيدروكسيل الجزيئي الكبير. يكون ارتداد مادة البولي يوريثان الحراري من نوع البولي إيثر أقل من ارتداد مادة البولي يوريثان الحراري من نوع البوليستر. عند درجات حرارة أقل من درجة حرارة التبلور، يصبح المطاط شديد الصلابة ويفقد مرونته. لذلك، يكون ارتداده مشابهًا لارتداد سطح معدن صلب.

يتراوح نطاق الصلابة بين شور A60 وD80

تُعد الصلابة مؤشراً على قدرة المادة على مقاومة التشوه والخدوش والتشققات.

عادة ما يتم قياس صلابة مادة TPU باستخدام أجهزة اختبار صلابة Shore A و Shore D، حيث يتم استخدام Shore A لأنواع TPU الأكثر ليونة ويتم استخدام Shore D لأنواع TPU الأكثر صلابة.

يمكن تعديل صلابة مادة البولي يوريثين الحراري (TPU) عن طريق تغيير نسبة أجزاء السلسلة اللينة والصلبة. ولذلك، تتميز مادة TPU بنطاق صلابة واسع نسبيًا، يتراوح بين شور A60 وشور D80، ما يغطي صلابة المطاط والبلاستيك، كما تتمتع بمرونة عالية في جميع نطاقات الصلابة.

مع تغير الصلابة، قد تتغير بعض خصائص مادة البولي يوريثين الحراري (TPU). على سبيل المثال، ستؤدي زيادة صلابة مادة البولي يوريثين الحراري إلى تغييرات في الأداء مثل زيادة معامل الشد وقوة التمزق، وزيادة الصلابة وإجهاد الضغط (قدرة التحميل)، وانخفاض الاستطالة، وزيادة الكثافة وتوليد الحرارة الديناميكية، وزيادة مقاومة العوامل البيئية.

5- تطبيق مادة البولي يوريثين الحراري

باعتبارها مادة مطاطية ممتازة، تتمتع مادة TPU بمجموعة واسعة من اتجاهات المنتجات النهائية وتستخدم على نطاق واسع في الضروريات اليومية والسلع الرياضية والألعاب ومواد الزينة وغيرها من المجالات.

مواد صناعة الأحذية

يُستخدم البولي يوريثين الحراري (TPU) بشكل أساسي في صناعة الأحذية نظرًا لمرونته الفائقة ومقاومته العالية للتآكل. وتتميز الأحذية المصنوعة من البولي يوريثين الحراري براحة أكبر بكثير من الأحذية العادية، لذا فهي تُستخدم على نطاق واسع في الأحذية الفاخرة، وخاصة بعض الأحذية الرياضية والأحذية الكاجوال.

خرطوم

بسبب نعومتها وقوة شدها الجيدة وقوة تحملها للصدمات ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، تُستخدم خراطيم TPU على نطاق واسع في الصين كخراطيم للغاز والنفط للمعدات الميكانيكية مثل الطائرات والدبابات والسيارات والدراجات النارية وأدوات الآلات.

كابل

توفر مادة البولي يوريثين الحراري (TPU) مقاومة للتمزق والتآكل والانحناء، وتُعدّ مقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة عاملاً أساسياً في أداء الكابلات. لذا، في السوق الصينية، تستخدم الكابلات المتطورة، مثل كابلات التحكم وكابلات الطاقة، مادة البولي يوريثين الحراري لحماية مواد الطلاء في تصميمات الكابلات المعقدة، وتتزايد تطبيقاتها بشكل ملحوظ.

الأجهزة الطبية

مادة TPU بديل آمن ومستقر وعالي الجودة لمادة PVC، وهي خالية من الفثالات والمواد الكيميائية الضارة الأخرى، ولا تنتقل إلى الدم أو السوائل الأخرى في القسطرة الطبية أو الحقيبة الطبية مسببةً آثارًا جانبية. كما أنها مادة TPU مطورة خصيصًا للبثق والحقن.

فيلم

غشاء البولي يوريثان الحراري (TPU) عبارة عن غشاء رقيق مصنوع من مادة البولي يوريثان الحراري الحبيبية من خلال عمليات خاصة مثل الدرفلة والصب والنفخ والطلاء. وبفضل قوته العالية ومقاومته للتآكل ومرونته الجيدة ومقاومته للعوامل الجوية، تُستخدم أغشية البولي يوريثان الحراري على نطاق واسع في الصناعات، ومواد الأحذية، وتجهيزات الملابس، والسيارات، والصناعات الكيميائية والإلكترونية والطبية، وغيرها من المجالات.