راتنجات البولي يوريثين المنقولة بالماء القائمة على البوليستر والبولي إيثر: مقارنة أداء مقاومة الحرارة

من منظور كيميائي، راتنجات البولي يوريثين المنقولة بالماء هي في الأساس سائل ذو لزوجة يتكون من جزيئات هلامية متناثرة بشكل موحد في الماء. أثناء نمو السلسلة، تحافظ لزوجة المستحلب عمومًا على حالة من التوازن، ويأتي اختلافها بشكل أساسي من زيادة الوزن الجزيئي للجسيمات نفسها. في التطبيقات العملية، عندما تتجاوز درجة حرارة تكوين الفيلم نقطة انصهار جزيئات البوليمر، يتم تشكيل طبقة فيلم مستمرة موزعة بشكل موحد بين الجزيئات. في حالة درجات الحرارة المنخفضة، يُظهر الطلاء المجفف حالة متقطعة من التصاق جسيم إلى جسيم.

عند مناقشة المقاومة الحرارية للبوليمرات، لا بد من ذكر مؤشرين مهمين لدرجة الحرارة: درجة حرارة التليين ودرجة حرارة التحلل الحراري. تشير درجة حرارة التليين، كما يوحي الاسم، إلى درجة الحرارة الحرجة التي ينتقل عندها البوليمر من الحالة المرنة إلى حالة التدفق اللزج، أي أدنى نقطة تبدأ عندها سلاسل البوليمر في الانزلاق. التشوه الذي يحدث عند درجة الحرارة هذه لا رجعة فيه. لا تحدد درجة الحرارة هذه نطاق المعالجة من خلال صب البوليمر فحسب، بل تحدد أيضًا حد درجة الحرارة لاستخدام منتجات البوليمر. درجة حرارة التحلل الحراري هي أدنى درجة حرارة تنكسر عندها الروابط الكيميائية في البوليمر أثناء التسخين، ويجب أن تكون درجة حرارة التشغيل طويلة المدى لمنتجات البوليمر أقل من درجة الحرارة هذه. ومن الجدير بالذكر أن العلاقة بين درجة حرارة التحلل الحراري ودرجة حرارة التليين ليست ثابتة ويمكن أن تكون أعلى أو أقل من درجة حرارة التليين. بالنسبة للبولي يوريثان المنقول بالماء، تكون درجة حرارة التحلل الحراري عادة أقل من درجة حرارة التليين، وغالبًا ما تتشابك عملية التحلل الحراري مع عمليات التحلل الأخرى مثل الأكسدة والتحلل المائي، مما يعزز بعضها البعض.

تتأثر درجة حرارة التحلل الحراري لمستحلب البولي يوريثين المنقول بالماء بشكل كبير بالمقاومة الحرارية لمختلف المجموعات الوظيفية في بنيته الجزيئية. على سبيل المثال، تكون درجة حرارة التحلل الحراري لليوريا الخافتة وميثاكريلات اليوريثان أقل بكثير من درجة حرارة اليوريثان واليوريا. وفقًا لسجلات الأدبيات، تبلغ درجة حرارة التحلل الحراري لليوريا الخافتة 120 درجة مئوية، في حين أن درجة حرارة التحلل لميثاكريلات يوريثان هي 106 درجة مئوية فقط. ترتبط درجة حرارة التحلل الحراري لليوريتان ارتباطًا وثيقًا ببنية المركب الأصلي، حيث تتمتع ثنائي إيزوسيانات الأليفاتية عمومًا بمقاومة أفضل للحرارة من ثنائي إيزوسيانات العطرية، كما تتمتع الكحولات الأليفاتية بمقاومة أفضل للحرارة من الكحولات العطرية (مثل الفينول). في مركبات ثنائي الإيزوسيانات العطرية، يكون ترتيب مقاومة الحرارة عادةً PPDI > NDI > MDI > TDI.

بالإضافة إلى ذلك، هناك اختلافات كبيرة في درجة حرارة التحلل الحراري لليوريتان-أكريليت التي تم الحصول عليها من تفاعل هياكل مختلفة من الكحولات الدهنية مع نفس الأيزوسيانات. من بينها، يتمتع الكحول الأولي بأعلى درجة حرارة للتحلل الحراري، في حين أن الكحول الثالث لديه أدنى درجة حرارة، وقد يبدأ البعض في التحلل عند 50 درجة مئوية. ويرجع ذلك أساسًا إلى أن الروابط القريبة من ذرة الكربون الثلاثية وذرة الكربون الرباعية أكثر هشاشة وعرضة للكسر. يؤثر هيكل الجزء الناعم أيضًا على درجة حرارة التحلل الحراري. نظرًا للاستقرار الحراري الجيد لمجموعات الكربونيل وقابلية الهيدروجين على ذرة الكربون ألفا لمجموعات الأثير للأكسدة، فإن المواد القائمة على البوليستر عادة ما تتمتع بمقاومة أفضل لشيخوخة الهواء الحراري من المواد القائمة على البولي إيثر. بالإضافة إلى ذلك، فإن وجود روابط مزدوجة في الجزء الناعم سوف يقلل من مقاومة الحرارة للمطاط الصناعي، في حين أن إدخال حلقات الأيزوسيانورات والعناصر غير العضوية يمكن أن يحسن بشكل فعال مقاومة الحرارة للمطاط الصناعي. تتمتع بوليولات البوليستر بشكل عام بأداء أفضل في التحلل الحراري من بوليولات البولي إيثر بسبب القوى الجزيئية الأكبر بين الجزيئات. يتم تعزيز الثبات الحراري للبوليمرات بشكل كبير من خلال وجود روابط السيليكون والأكسجين بسبب خصائص طاقة الرابطة العالية الخاصة بها. غالبًا ما تستخدم المواد غير العضوية لتعزيز مقاومة البوليمرات للحرارة بسبب ثباتها الحراري الممتاز وقوتها الميكانيكية.