聚氨酯彈性體機(jī)械性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系
聚氨酯彈性體以其優(yōu)異的綜合機(jī)械性能著稱。其原料種類繁多,大分子結(jié)構(gòu)中基團(tuán)組成和排列復(fù)雜,加之合成與加工方法多樣,導(dǎo)致其化學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且物理構(gòu)象差異顯著,最終決定了其性能的多樣性。
通常在固態(tài)下使用,在各種外力作用下所表現(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度是其最重要的使用性能指標(biāo)。與其他高分子聚合物類似,PU的性能受分子量、分子間作用力、鏈段柔性、結(jié)晶傾向、支化與交聯(lián)程度,以及取代基的位置、極性和體積等因素密切影響。然而,PU的結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特性:其分子是由軟段(主要由低聚物多元醇構(gòu)成)和硬段(主要由多異氰酸酯和擴(kuò)鏈交聯(lián)劑構(gòu)成)通過(guò)嵌段共聚形成的。這種結(jié)構(gòu)中,分子間,尤其是硬鏈段之間,存在強(qiáng)烈的靜電力作用,并常伴隨大量氫鍵形成。這種強(qiáng)作用力不僅貢獻(xiàn)于材料的內(nèi)聚能,更能促進(jìn)硬鏈段的聚集與微相分離,從而顯著改善彈性體的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、模量)及高低溫性能。
結(jié)晶行為與機(jī)械性能的關(guān)鍵聯(lián)系:
PU的機(jī)械性能在很大程度上取決于其結(jié)晶性,特別是軟鏈段的結(jié)晶。然而,PU在常規(guī)使用狀態(tài)下(通常指室溫或稍高溫度下處于受力較小的平衡態(tài))并不希望出現(xiàn)結(jié)晶,以免損害其彈性。理想的狀態(tài)是:通過(guò)精心的配方設(shè)計(jì)和工藝控制,在彈性與強(qiáng)度之間取得最佳平衡:
常態(tài)(平衡態(tài)): 剛性的PUE在使用溫度范圍內(nèi)(如室溫)應(yīng)保持非晶態(tài),確保良好的彈性回復(fù)能力。
高速拉伸(應(yīng)變誘導(dǎo)): 在受到高速拉伸等外力作用時(shí),材料能迅速發(fā)生應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶。
外力解除(恢復(fù)): 這種誘導(dǎo)結(jié)晶的熔點(diǎn)應(yīng)在室溫上下,一旦外力解除,結(jié)晶能迅速熔化,材料恢復(fù)彈性。
這種可逆的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶結(jié)構(gòu)對(duì)于顯著提升PU的機(jī)械強(qiáng)度(如拉伸強(qiáng)度、模量)極為有利。
影響可逆結(jié)晶與性能的結(jié)構(gòu)因素:
軟段特性:
極性: 軟段的極性、分子量、分子間作用力及結(jié)構(gòu)規(guī)整性直接影響其結(jié)晶能力。例如,聚酯多元醇的極性和分子間作用力通常大于聚醚多元醇,因此聚酯型PUE的機(jī)械強(qiáng)度通常高于聚醚型PUE。
剛性: 軟段本身剛度過(guò)高(如引入剛性單元)會(huì)降低其結(jié)晶能力,從而可能削弱結(jié)晶帶來(lái)的機(jī)械性能提升。
硬段特性:
異氰酸酯類型: 通常,由芳香族二異氰酸酯(如MDI, TDI)制備的PUE,其硬段剛性強(qiáng)、極性高,形成的微區(qū)作用力大,賦予材料比脂肪族二異氰酸酯(如HDI)更高的硬度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。
結(jié)構(gòu)對(duì)稱性: 具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二異氰酸酯(如MDI)更有利于硬段規(guī)整排列和增強(qiáng)微相分離,從而能賦予PUE更高的硬度、拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度。
擴(kuò)鏈交聯(lián)劑: 其結(jié)構(gòu)(如剛性、對(duì)稱性)對(duì)PUE機(jī)械性能的影響機(jī)制與二異氰酸酯類似,主要通過(guò)影響硬段的性質(zhì)和微相分離程度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
總結(jié): 聚氨酯彈性體獨(dú)特的軟硬段嵌段結(jié)構(gòu)及其相互作用(氫鍵、靜電力、微相分離)是其優(yōu)異機(jī)械性能的基礎(chǔ)。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控軟段(類型、分子量、規(guī)整性)和硬段(異氰酸酯類型、擴(kuò)鏈劑、對(duì)稱性)的結(jié)構(gòu),特別是優(yōu)化軟段實(shí)現(xiàn)可逆的應(yīng)變誘導(dǎo)結(jié)晶行為,是獲得兼具高彈性與高強(qiáng)度聚氨酯彈性體的核心所在。
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