ما هو مطاط البولي يوريثان الحراري؟

ما هو مطاط البولي يوريثان الحراري؟

يُعد البولي يوريثان المطاطي نوعًا من المواد الاصطناعية المصنوعة من البولي يوريثان (تشير الأنواع الأخرى إلى رغوة البولي يوريثان، ومادة لاصقة من البولي يوريثان، وطلاء من البولي يوريثان، وألياف من البولي يوريثان)، ويُعد البولي يوريثان المطاطي الحراري أحد الأنواع الثلاثة من البولي يوريثان المطاطي، ويشار إليه عادةً باسم TPU (النوعان الرئيسيان الآخران من البولي يوريثان المطاطي هما البولي يوريثان المطاطي المصبوب، والذي يُختصر إلى CPU، والبولي يوريثان المطاطي المختلط، والذي يُختصر إلى MPU).

البولي يوريثان الحراري (TPU) نوع من أنواع البولي يوريثان المطاطي، يتميز بقابليته للتلدين بالتسخين والذوبان بالمذيبات. بالمقارنة مع البولي يوريثان المعالج بالحرارة (CPU) والبولي يوريثان المعالج بالحرارة (MPU)، يحتوي البولي يوريثان الحراري على روابط كيميائية قليلة أو معدومة في بنيته الكيميائية. سلسلته الجزيئية خطية في الأساس، مع وجود قدر معين من الروابط الفيزيائية. يُعد هذا النوع من البولي يوريثان المطاطي الحراري ذا بنية مميزة للغاية.

بنية وتصنيف وحدات المعالجة الحرارية

البوليمر المرن الحراري من نوع البولي يوريثان هو بوليمر خطي مكون من كتلتين (AB). تمثل A بوليمر بوليول (إستر أو بولي إيثر، وزن جزيئي يتراوح بين 1000 و6000) ذو وزن جزيئي عالٍ، ويسمى سلسلة طويلة؛ وتمثل B ثنائي هيدروكسيل يحتوي على 2-12 ذرة كربون في سلسلة مستقيمة، ويسمى سلسلة قصيرة.

في بنية مطاط البولي يوريثان الحراري، يُطلق على الجزء A اسم الجزء المرن، وهو يتميز بالمرونة والليونة، مما يمنح TPU قابلية التمدد. أما سلسلة اليوريثان الناتجة عن تفاعل الجزء B مع الإيزوسيانات فتُسمى الجزء الصلب، وهي تجمع بين خصائص الصلابة والقوة. ومن خلال تعديل نسبة الجزأين A وB، تُصنع منتجات TPU بخصائص فيزيائية وميكانيكية مختلفة.

بحسب بنية الجزء المرن، يمكن تقسيم البوليمر إلى نوع البوليستر، ونوع البولي إيثر، ونوع البيوتادين، والتي تحتوي على مجموعات إستر، وإيثر، وبيوتين على التوالي. وبحسب بنية الجزء الصلب، يمكن تقسيمه إلى نوع اليوريثان ونوع يوريثان اليوريا، واللذان يُستخلصان على التوالي من مُطيلات سلسلة الإيثيلين جليكول أو مُطيلات سلسلة ثنائي الأمين. ويُصنف البوليمر عادةً إلى نوع البوليستر ونوع البولي إيثر.

ما هي المواد الخام المستخدمة في تصنيع مادة البولي يوريثين الحراري (TPU)؟

(1) بوليمر ديول

يلعب ثنائي الجزيء الكبير ذو الوزن الجزيئي الذي يتراوح من 500 إلى 4000 والمجموعات ثنائية الوظيفة، بنسبة 50٪ إلى 80٪ في مطاط TPU، دورًا حاسمًا في الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ TPU.

يمكن تقسيم البوليمر ديول المناسب لمطاط TPU إلى بوليستر وبولي إيثر: يشمل البوليستر بولي تترا ميثيلين أديبيك أسيد جلايكول (PBA) ε PCL، PHC؛ وتشمل البولي إيثر بولي أوكسي بروبيلين إيثر جلايكول (PPG)، وتتراهيدروفوران بولي إيثر جلايكول (PTMG)، إلخ.

(2) ثنائي إيزوسيانات

يتميز هذا المركب بوزنه الجزيئي الصغير ووظيفته المتميزة، فهو لا يقتصر دوره على ربط الجزء المرن بالجزء الصلب فحسب، بل يمنح مادة البولي يوريثان الحراري (TPU) خصائص فيزيائية وميكانيكية جيدة ومتنوعة. ومن بين ثنائي إيزوسيانات المستخدمة في مادة البولي يوريثان الحراري: ثنائي إيزوسيانات ثنائي فينيل الميثيلين (MDI)، وثنائي إيزوسيانات ثنائي (4-سيكلوهكسيل-4-ميثيلين) (HMDI)، وثنائي إيزوسيانات بارا-فينيل (PPDI)، وثنائي إيزوسيانات 1،5-نفثالين (NDI)، وثنائي إيزوسيانات بارا-فينيل ثنائي ميثيل (PXDI)، وغيرها.

(3) وصلة تمديد السلسلة

يُعدّ مُطيل السلسلة ذو الوزن الجزيئي الذي يتراوح بين 100 و350، والذي ينتمي إلى فئة الديولات ذات الوزن الجزيئي المنخفض، وبنية السلسلة المفتوحة، وخلوه من المجموعات البديلة، مُفيدًا للحصول على صلابة عالية ووزن قياسي عالٍ لمادة البولي يوريثان الحراري (TPU). وتشمل مُطيلات السلسلة المُناسبة لمادة البولي يوريثان الحراري: 1،4-بيوتانيديول (BDO)، و1،4-بيس (2-هيدروكسي إيثوكسي) بنزين (HQEE)، و1،4-سيكلوهكسان ثنائي ميثانول (CHDM)، وبارا-فينيل ثنائي ميثيل جليكول (PXG)، وغيرها.

تطبيق تعديل البولي يوريثان الحراري كعامل تقوية

من أجل تقليل تكاليف المنتج والحصول على أداء إضافي، يمكن استخدام مطاط البولي يوريثان الحراري كعوامل تقوية شائعة الاستخدام لتقوية مختلف المواد الحرارية والمطاط المعدل.

بفضل قطبيته العالية، يتوافق البولي يوريثان مع الراتنجات أو المطاطات القطبية، مثل البولي إيثيلين المكلور (CPE)، والذي يُستخدم في صناعة المنتجات الطبية. ويمكن استخدامه كبديل للبوليمرات الحرارية الهندسية عند مزجه مع ABS. وعند استخدامه مع البولي كربونات (PC)، يكتسب خصائص مقاومة للزيوت والوقود والصدمات، مما يجعله مناسبًا لصناعة هياكل السيارات. كما يُحسّن البولي يوريثان من متانته عند مزجه مع البوليستر. بالإضافة إلى ذلك، يتوافق جيدًا مع PVC والبولي أوكسي ميثيلين وPVDC. ويتوافق بولي يوريثان البوليستر جيدًا مع مزيج من مطاط النتريل بنسبة 15% أو مطاط النتريل/PVC بنسبة 40%. كما يتوافق بولي يوريثان البولي إيثر جيدًا مع لاصق مزيج من مطاط النتريل/كلوريد البولي فينيل بنسبة 40%. ويتوافق أيضًا مع كوبوليمرات أكريلونيتريل ستايرين (SAN). ويمكنه تكوين هياكل شبكية متداخلة (IPN) مع البولي سيلوكسانات التفاعلية. تم بالفعل إنتاج الغالبية العظمى من المواد اللاصقة المخلوطة المذكورة أعلاه بشكل رسمي.

شهدت السنوات الأخيرة تزايدًا ملحوظًا في الأبحاث الصينية حول تقوية مادة البولي أوكسي ميثيلين (POM) باستخدام البولي يوريثان الحراري (TPU). لا يُحسّن مزج البولي يوريثان الحراري مع البولي أوكسي ميثيلين مقاومة البولي يوريثان الحراري لدرجات الحرارة العالية وخواصه الميكانيكية فحسب، بل يُقوّي البولي أوكسي ميثيلين بشكل ملحوظ أيضًا. وقد أظهرت بعض الدراسات أنه في اختبارات كسر الشد، مقارنةً بمصفوفة البولي أوكسي ميثيلين، فإن سبيكة البولي أوكسي ميثيلين المُضاف إليها البولي يوريثان الحراري تتحول من الكسر الهش إلى الكسر المطيل. كما تُكسب إضافة البولي يوريثان الحراري البولي أوكسي ميثيلين خاصية ذاكرة الشكل. تعمل المنطقة البلورية من البولي أوكسي ميثيلين كطور ثابت في سبيكة ذاكرة الشكل، بينما تعمل المنطقة غير المتبلورة من البولي يوريثان الحراري والبولي أوكسي ميثيلين غير المتبلورين كطور قابل للانعكاس. عند درجة حرارة استجابة استعادة تبلغ 165 درجة مئوية وزمن استعادة يبلغ 120 ثانية، تصل نسبة استعادة السبيكة إلى أكثر من 95%، مما يُحقق أفضل تأثير للاستعادة.

يصعب على مادة البولي يوريثان الحراري (TPU) التوافق مع المواد البوليمرية غير القطبية مثل البولي إيثيلين، والبولي بروبيلين، ومطاط الإيثيلين بروبيلين، ومطاط البوتادين، ومطاط الإيزوبرين، أو مسحوق المطاط المُعاد تدويره، ولا يمكن استخدامها لإنتاج مركبات ذات أداء جيد. لذلك، تُستخدم غالبًا طرق معالجة الأسطح مثل البلازما، والكورونا، والمعالجة الكيميائية الرطبة، والطلاء التمهيدي، واللهب، أو الغازات التفاعلية. على سبيل المثال، قامت شركة "أمريكان إير برودكتس آند كيميكالز" بمعالجة سطح مسحوق البولي إيثيلين فائق النعومة ذي الوزن الجزيئي العالي جدًا (3-5 ملايين) باستخدام غاز F2/O2 النشط، وأضافته إلى مطاط البولي يوريثان بنسبة 10%، مما أدى إلى تحسين معامل الانحناء، وقوة الشد، ومقاومة التآكل بشكل ملحوظ. كما يمكن تطبيق معالجة السطح باستخدام غاز F2/O2 النشط على الألياف القصيرة المُستطيلة اتجاهيًا بطول 6-35 مم، مما يُحسّن صلابة المادة المركبة ومقاومتها للتمزق.

ما هي مجالات تطبيق مادة البولي يوريثين الحراري (TPU)؟

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. أما اليوم، فأبرز مصنعي المواد الخام لمادة البولي يوريثين الحراري (TPU) في العالم هم: BASF، وكوفسترو، ولوبريزول، وهانتسمان كوربوريشن، وماكينزي، وجولدينج، وغيرها.

يُعدّ البولي يوريثين الحراري (TPU) مادة مطاطية ممتازة، وله استخدامات واسعة في العديد من المنتجات، بما في ذلك السلع اليومية، والأدوات الرياضية، والألعاب، ومواد الديكور، وغيرها. فيما يلي بعض الأمثلة.

① مواد 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.

٢- الخراطيم

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.

③ 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.

④ 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. علاوة على ذلك، يمكن استخدام نوعي TPU المُطورين خصيصًا للبثق والحقن بسهولة مع إجراء تعديلات بسيطة في معدات PVC الموجودة.

⑤ المركبات ووسائل النقل الأخرى

من خلال بثق وتغطية كلا جانبي نسيج النايلون بمادة البولي يوريثان الحرارية المرنة، يمكن صنع قوارب هجومية قتالية وقوارب استطلاع قابلة للنفخ تحمل من 3 إلى 15 شخصًا، بأداء أفضل بكثير من القوارب المطاطية القابلة للنفخ؛ ويمكن استخدام مادة البولي يوريثان الحرارية المرنة المقواة بالألياف الزجاجية لصنع مكونات الهيكل مثل الأجزاء المصبوبة على جانبي السيارة نفسها، وألواح الأبواب، والمصدات، وشرائط منع الاحتكاك، والشبكات.