ما هو إلاستومر البولي يوريثين الحراري؟

ما هو إلاستومر البولي يوريثين الحراري؟

إلاستومر البولي يوريثين هو مجموعة متنوعة من المواد الاصطناعية البولي يوريثين (تشير الأنواع الأخرى إلى رغوة البولي يوريثين، لاصق البولي يوريثين، طلاء البولي يوريثين وألياف البولي يوريثين)، وإيلاستومر البولي يوريثين بالحرارة هو أحد الأنواع الثلاثة لإيلاستومر البولي يوريثين، ويشار إليه عادة باسم TPU (النوعان الرئيسيان الآخران من إلاستومرات البولي يوريثين هما إلاستومرات البولي يوريثين المصبوبة، والمختصرة باسم CPU، وإيلاستومرات البولي يوريثين المختلطة، والمختصرة باسم MPU).

TPU هو نوع من مطاط البولي يوريثان اللدن بالحرارة، قابل للتلدين بالتسخين وإذابته بالمذيبات. بالمقارنة مع وحدة المعالجة المركزية (CPU) ووحدة المعالجة المركزية (MPU)، يتميز TPU بتركيب كيميائي ضعيف أو معدوم. سلسلته الجزيئية خطية في الأساس، مع وجود قدر معين من الترابط الفيزيائي. هذا هو مطاط البولي يوريثان اللدن بالحرارة، ذو التركيب المميز للغاية.

هيكل وتصنيف TPU

إلاستومر البولي يوريثان الحراري هو بوليمر خطي كتلي (AB). يمثل A بوليمر بوليول (إستر أو بولي إيثر، وزنه الجزيئي يتراوح بين 1000 و6000) ذو وزن جزيئي مرتفع، ويُسمى سلسلة طويلة؛ ويمثل B ثنائي الول يحتوي على ذرتين إلى 12 ذرة كربون مستقيمة السلسلة، ويُسمى سلسلة قصيرة.

في بنية إلاستومر البولي يوريثان الحراري، يُسمى الجزء A بالجزء الناعم، الذي يتميز بالمرونة والنعومة، مما يجعل TPU قابلاً للتمدد؛ وتُسمى سلسلة اليوريثان الناتجة عن تفاعل الجزء B مع الإيزوسيانات بالجزء الصلب، الذي يتميز بخصائص صلبة وصلبة. بتعديل نسبة الجزءين A وB، تُصنع منتجات TPU بخصائص فيزيائية وميكانيكية مختلفة.

وفقًا لبنية القطعة اللينة، يُمكن تقسيمها إلى بوليستر، بولي إيثر، وبوتادين، والتي تحتوي على مجموعات إستر، إيثر، وبوتين على التوالي. أما بالنسبة لبنية القطعة الصلبة، فيمكن تقسيمها إلى يوريثان ويوريا يوريثان، والتي تُستخرج من موسعات سلسلة إيثيلين جليكول أو موسعات سلسلة ثنائي الأمين على التوالي. ويُصنف البولي إيثر عادةً إلى بوليستر وبولي إيثر.

ما هي المواد الخام لتركيب TPU؟

(1) بوليمر ديول

يلعب ثنائي الكحول الجزيئي الكبير ذو الوزن الجزيئي الذي يتراوح بين 500 إلى 4000 والمجموعات ثنائية الوظيفة، مع محتوى يتراوح بين 50٪ إلى 80٪ في إلاستومر TPU، دورًا حاسمًا في الخصائص الفيزيائية والكيميائية لـ TPU.

يمكن تقسيم البوليمر Diol المناسب لإيلاستومر TPU إلى بوليستر وبولي إيثر: يشمل البوليستر بولي تتراميثلين وحمض الأديبيك جليكول (PBA) ε PCL وPHC؛ تشمل البولي إيثر بولي أوكسي بروبيلين إيثر جليكول (PPG)، وبولي إيثر رباعي هيدروفوران (PTMG)، إلخ.

(2) ثنائي إيزوسيانات

الوزن الجزيئي صغير، لكن وظيفته ممتازة، فهو لا يقتصر على ربط الجزء الناعم بالجزء الصلب فحسب، بل يمنح مادة TPU أيضًا خصائص فيزيائية وميكانيكية ممتازة. ثنائيات الأيزوسيانات المستخدمة في مادة TPU هي: ميثيلين ثنائي فينيل ثنائي إيزوسيانات (MDI)، ميثيلين ثنائي (-4-سيكلوهكسيل إيزوسيانات) (HMDI)، بارا-فينيل ثنائي إيزوسيانات (PPDI)، 1،5-نفثالين ثنائي إيزوسيانات (NDI)، بارا-فينيل ثنائي ميثيل ثنائي إيزوسيانات (PXDI)، وغيرها.

(3) موسع السلسلة

مُمدد السلسلة ذو الوزن الجزيئي من ١٠٠ إلى ٣٥٠، والذي ينتمي إلى ديول جزيئي صغير، ووزن جزيئي صغير، وبنية سلسلة مفتوحة، وخالٍ من مجموعة الاستبدال، يُساعد على الحصول على صلابة عالية ووزن قياسي مرتفع من مادة TPU. تشمل مُمددات السلسلة المناسبة لـ TPU: ١،٤-بيوتانيديول (BDO)، ١،٤-بيس (٢-هيدروكسي إيثوكسي) بنزين (HQEE)، ١،٤-سيكلوهكسانيدييثانول (CHDM)، بارا-فينيل ثنائي ميثيل جليكول (PXG)، وغيرها.

تطبيق تعديل TPU كعامل تقوية

من أجل تقليل تكاليف المنتج والحصول على أداء إضافي، يمكن استخدام إلاستومرات البولي يوريثين الحرارية كعوامل تقوية شائعة الاستخدام لتقوية مختلف المواد البلاستيكية الحرارية والمطاطية المعدلة.

بسبب قطبيتها العالية، يمكن أن يكون البولي يوريثين متوافقًا مع الراتنجات القطبية أو المطاط، مثل البولي إيثيلين المكلور (CPE)، والذي يمكن استخدامه لصنع المنتجات الطبية؛ يمكن أن يحل المزج مع ABS محل اللدائن الحرارية الهندسية للاستخدام؛ عند استخدامه مع البولي كربونات (PC)، فإنه يتمتع بخصائص مثل مقاومة الزيت ومقاومة الوقود ومقاومة الصدمات، ويمكن استخدامه لصنع هياكل السيارات؛ عند دمجه مع البوليستر، يمكن تحسين متانته؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون متوافقًا جيدًا مع PVC أو بولي أوكسي ميثيلين أو PVDC؛ يمكن أن يكون البولي يوريثين البوليستر متوافقًا جيدًا مع مطاط النتريل بنسبة 15٪ أو مزيج مطاط النتريل / PVC بنسبة 40٪؛ يمكن أن يكون البولي إيثر البولي يوريثين متوافقًا جيدًا أيضًا مع لاصق مزيج مطاط النتريل / بولي فينيل كلوريد بنسبة 40٪؛ يمكن أن يكون متوافقًا أيضًا مع كوبوليمرات أكريلونيتريل ستيرين (SAN)؛ يمكنه تكوين هياكل شبكة متداخلة (IPN) مع بولي سيلوكسان تفاعلية. وقد تم بالفعل إنتاج الغالبية العظمى من المواد اللاصقة الممزوجة المذكورة أعلاه رسميًا.

في السنوات الأخيرة، تزايدت الأبحاث حول تقوية مادة البولي أوليفينات (POM) باستخدام مادة TPU في الصين. لا يُحسّن مزج مادة TPU مع مادة POM من مقاومتها لدرجات الحرارة العالية وخواصها الميكانيكية فحسب، بل يُقوّيها أيضًا بشكل ملحوظ. أظهر بعض الباحثين أنه في اختبارات كسر الشد، وبالمقارنة مع مصفوفة POM، تحوّلت سبيكة POM مع مادة TPU من كسر هش إلى كسر مطيل. كما تُحسّن إضافة مادة TPU مادة POM من أداء ذاكرة الشكل. تعمل المنطقة البلورية من مادة POM كمرحلة ثابتة لسبائك ذاكرة الشكل، بينما تعمل المنطقة غير المتبلورة من مادة TPU غير المتبلورة وPOM كمرحلة عكسية. عندما تكون درجة حرارة استجابة الاسترداد 165 درجة مئوية ووقت الاسترداد 120 ثانية، يصل معدل استرداد السبيكة إلى أكثر من 95%، ويكون تأثير الاسترداد هو الأفضل.

يصعب توافق مادة TPU مع مواد البوليمر غير القطبية، مثل البولي إيثيلين والبولي بروبيلين ومطاط الإيثيلين والبروبيلين والبيوتادين والمطاط الإيزوبرين أو مسحوق المطاط المُهدر، ولا يُمكن استخدامها لإنتاج مواد مُركبة عالية الأداء. لذلك، تُستخدم غالبًا طرق معالجة الأسطح، مثل البلازما والكورونا والكيمياء الرطبة والطلاء التمهيدي واللهب أو الغاز التفاعلي، لهذه الأخيرة. على سبيل المثال، أجرت شركة American Air Products and Chemicals Company معالجة سطحية بالغاز النشط F2/O2 على مسحوق بولي إيثيلين ناعم فائق الوزن الجزيئي يتراوح وزنه الجزيئي بين 3 و5 ملايين، وأُضيف إلى إلاستومر البولي يوريثان بنسبة 10%، مما يُحسّن بشكل كبير معامل الانثناء وقوة الشد ومقاومة التآكل. كما يُمكن تطبيق معالجة السطح بالغاز النشط F2/O2 على الألياف القصيرة المُستطيلة اتجاهيًا بطول يتراوح بين 6 و35 مم، مما يُحسّن صلابة المادة المُركبة ومتانتها ضد التمزق.

ما هي مجالات تطبيق TPU؟

في عام ١٩٥٨، سجّلت شركة غودريتش للكيماويات (التي سُمّيت الآن لوبريزول) العلامة التجارية Estane من مادة TPU لأول مرة. على مدار الأربعين عامًا الماضية، برزت أكثر من ٢٠ علامة تجارية حول العالم، ولكل علامة تجارية سلاسل منتجات متعددة. حاليًا، أبرز مُصنّعي المواد الخام من مادة TPU في العالم هم: باسف، كوفسترو، لوبريزول، هانتسمان، ماكينزي، غولدينغ، وغيرها.

باعتباره مادة مرنة ممتازة، يُنتج TPU مجموعة واسعة من المنتجات النهائية، والتي تُستخدم على نطاق واسع في الضروريات اليومية، والسلع الرياضية، والألعاب، ومواد الديكور، وغيرها من المجالات. فيما يلي بعض الأمثلة.

① مواد الأحذية

يُستخدم TPU بشكل رئيسي في صناعة الأحذية نظرًا لمرونته الممتازة ومقاومته للتآكل. تتميز الأحذية التي تحتوي على TPU براحة أكبر في الارتداء مقارنةً بالأحذية العادية، لذا تُستخدم على نطاق واسع في الأحذية الفاخرة، وخاصةً بعض الأحذية الرياضية والأحذية الكاجوال.

② الخراطيم

بفضل نعومتها وقوتها الجيدة في الشد وقوة التأثير ومقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة، تُستخدم خراطيم TPU على نطاق واسع في الصين كخراطيم غاز ونفط للمعدات الميكانيكية مثل الطائرات والدبابات والسيارات والدراجات النارية وأدوات الآلات.

③ كابل

تتميز مادة TPU بخصائص مقاومة للتمزق والتآكل والانحناء، وتُعدّ مقاومتها لدرجات الحرارة العالية والمنخفضة أساس أداء الكابل. لذلك، في السوق الصينية، تُستخدم مواد TPU في الكابلات المتقدمة، مثل كابلات التحكم وكابلات الطاقة، لحماية مواد الطلاء المستخدمة في تصميمات الكابلات المعقدة، وتزداد تطبيقاتها انتشارًا.

④ الأجهزة الطبية

TPU مادة بديلة آمنة ومستقرة وعالية الجودة لـ PVC، خالية من الفثالات والمواد الكيميائية الضارة الأخرى، ولن تنتقل إلى الدم أو السوائل الأخرى في القسطرة الطبية أو الحقيبة الطبية مسببةً آثارًا جانبية. علاوة على ذلك، يمكن استخدام TPU المُطوّر خصيصًا، بدرجتي البثق والحقن، بسهولة مع القليل من التصحيح في معدات PVC الحالية.

⑤ المركبات ووسائل النقل الأخرى

من خلال الضغط وطلاء كلا الجانبين من نسيج النايلون باستخدام إلاستومر البلاستيك الحراري البولي يوريثين، يمكن صنع طوافات هجوم قتالية قابلة للنفخ وطوافات استطلاع تحمل 3-15 شخصًا، مع أداء أفضل بكثير من الطوافات القابلة للنفخ المصنوعة من المطاط المبركن؛ يمكن استخدام إلاستومر البلاستيك الحراري البولي يوريثين المقوى بألياف زجاجية لصنع مكونات الجسم مثل الأجزاء المصبوبة على جانبي السيارة نفسها، وجلود الأبواب، والمصدات، وشرائط منع الاحتكاك، والشبكات.