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 جدًا.

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 ذرتي كربون متتاليتين (2-12) ويُسمى سلسلة قصيرة.

في بنية إلاستومر البولي يوريثان الحراري، يُسمى الجزء A بالجزء الناعم، الذي يتميز بالمرونة والنعومة، مما يجعل مادة TPU قابلة 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 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-ثنائي (٢-هيدروكسي إيثوكسي) بنزين (HQEE)، ١،٤-سيكلوهكسانيدييثانول (CHDM)، بارا-فينيل ثنائي ميثيل جليكول (PXG)، إلخ.

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 تكون البولي يوريثين متوافقة مع الراتنجات القطبية أو المطاط، مثل البولي إيثيلين المكلور (CPE)، والتي يمكن استخدامها لصنع المنتجات الطبية؛ يمكن أن يحل المزج مع ABS محل اللدائن الحرارية الهندسية للاستخدام؛ عند استخدامها مع البولي كربونات (PC)، لها خصائص مثل مقاومة الزيت ومقاومة الوقود ومقاومة الصدمات، ويمكن استخدامها لصنع هياكل السيارات؛ عند دمجها مع البوليستر، يمكن تحسين صلابتها؛ بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تكون متوافقة بشكل جيد مع PVC أو بولي أوكسي ميثيلين أو PVDC؛ يمكن أن تكون البولي يوريثين البوليستر متوافقة بشكل جيد مع 15٪ مطاط النتريل أو 40٪ مطاط النتريل / مزيج PVC؛ يمكن أن تكون البولي إيثر البولي يوريثين متوافقة أيضًا مع 40٪ لاصق مزيج مطاط النتريل / بولي فينيل كلوريد؛ يمكن أن تكون متوافقة أيضًا مع كوبوليمرات أكريلونيتريل ستيرين (SAN)؛ يمكن أن تشكل 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 يقتصر تأثير خلط مادة TPU مع مادة POM على تحسين مقاومتها لدرجات الحرارة العالية وخواصها الميكانيكية فحسب، بل يزيد أيضًا من صلابة مادة POM بشكل ملحوظ. وقد أظهر بعض الباحثين أنه في اختبارات الكسر بالشد، وبالمقارنة مع مصفوفة POM، فإن سبيكة POM مع مادة TPU قد انتقلت من الكسر الهش إلى الكسر المطيل. كما أن إضافة مادة TPU تمنح مادة POM أداءً مميزًا في ذاكرة الشكل. تعمل المنطقة البلورية من مادة POM كمرحلة ثابتة من سبيكة 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 ومسحوق المطاط المُهدر، ولا يُمكن استخدامها لإنتاج مواد مُركبة عالية الأداء. لذلك، تُستخدم غالبًا طرق معالجة الأسطح، مثل البلازما والكورونا والكيمياء الرطبة والطبقة التمهيدية واللهب أو الغاز التفاعلي، لهذه الأخيرة. على سبيل المثال، أجرت شركة American Air Products and Chemicals Company معالجة سطحية باستخدام الغاز 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 باستخدام الغاز 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، سجلت شركة غودريتش للكيماويات (التي سُميت الآن لوبريزول) العلامة التجارية Estane للبولي يوريثين الحراري لأول مرة. على مدار الأربعين عامًا الماضية، ظهر أكثر من ٢٠ علامة تجارية حول العالم، ولكل علامة تجارية عدة سلاسل من المنتجات. حاليًا، أبرز مصنعي المواد الخام للبولي يوريثين الحراري في العالم هم: باسف، كوفسترو، لوبريزول، هانتسمان كوربوريشن، 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 من 3 إلى 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.