ポリウレタンとは？
ポリウレタンとはポリウレタンの略称で、ポリイソシアネートとポリオールが反応してできたもので、分子鎖中にウレタン基（-NH-CO-O-）の繰り返しが多数含まれています。 実際の合成ポリウレタン樹脂には、ウレタン基の他にウレアやビウレットなどの基があります。 ポリオールは末端に水酸基を持つ長鎖分子で、「ソフト セグメント」と呼ばれ、ポリイソシアネートは「ハード セグメント」と呼ばれます。
ソフトセグメントとハードセグメントから生成されるポリウレタン樹脂のうち、ウレタンは少数派であり、必ずしもポリウレタンと呼ぶのは適切ではありません。 広い意味では、ポリウレタンはイソシアネートの付加重合体です。
さまざまな種類のイソシアネートがポリヒドロキシ化合物と反応してさまざまな構造のポリウレタンを形成し、それによってプラスチック、ゴム、コーティング、繊維、接着剤などのさまざまな特性を持つポリマー材料が得られます。 ポリウレタンゴム
ポリウレタン ゴムは、1940 年にドイツで最初に開発に成功し、1952 年以降工業生産に投入されました。一方、私の国は 1952 年代半ばに開発され、生産に投入されました。-1960 ポリウレタンゴムは、ポリエーテルまたはポリエステルとイソシアネートとの反応によって調製される一種の特殊ゴムに属します。 原料の種類、反応条件、架橋方法の違いにより、多くの種類があります。 化学構造的にはポリエステル系とポリエーテル系があり、加工方法としては混合型、注型型、熱可塑型の3種類があります。
合成ポリウレタンゴムは、一般に線状ポリエステルやポリエーテルとジイソシアネートを反応させて低分子量のプレポリマーを作ることで作られます。 鎖延長反応後、高分子重合体を形成し、適当な架橋剤を加えて加熱する。 硬化して加硫ゴムになるこの方法は、予備重合法または二段階法と呼ばれます。
また、線状ポリエステルやポリエーテルにジイソシアネート、鎖延長剤、架橋剤を直接混合し、反応させてポリウレタンゴムを生成させるワンステップ法も可能です。
熱可塑性ポリウレタンゴム (TPU)
熱可塑性ポリウレタン ゴムは、(AB) n 型ブロック線状ポリマーであり、A は長鎖と呼ばれる高分子量ポリエステルまたはポリエーテル (分子量 1000-6000) を表し、B は 2-12 直鎖状炭素を表します。原子ジオールは、短鎖であり、AB セグメント間の化学結合はジイソシアネートです。
TPUの構造と物性の関係
1. セグメント構造
TPU 分子の A セグメントは高分子鎖を回転させやすくし、ポリウレタン ゴムに良好な弾性を与え、ポリマーの軟化点と二次転移点を低下させ、硬度と機械的強度を低下させます。 B セグメントは高分子鎖の回転を結合するため、ポリマーの軟化点と二次転移点が上昇し、硬度と機械的強度が増加し、弾性が低下します。 A と B のモル比を調整することにより、異なる機械的性質を持つ TPU を調製できます。
2.架橋構造
TPUの架橋構造は、一次架橋に加え、分子間水素結合による二次架橋も考慮しなければなりません。 ポリウレタンの一次架橋結合は、ヒドロキシゴムの加硫構造とは異なり、そのウレタン基、ビウレット、アロファネート基およびその他の基は、規則的に間隔をあけて剛体セグメントに分かれているため、得られるゴムは規則的なネットワーク構造を持っているため、優れた耐摩耗性とその他の優れた特性を備えています。
第二に、ポリウレタンゴムは凝集エネルギーの大きいウレア基やウレタン基などの基を多く含んでいるため、分子鎖間で形成される水素結合は強度が高く、水素結合によって形成される二次架橋は、健康にも特性に重要な影響を与えます。ポリウレタンゴム製。 二次架橋により、ポリウレタンゴムは一方では熱硬化性エラストマーの特性を持ち、他方では、架橋は実際には架橋ではなく、仮想架橋であり、架橋は状態は温度によって異なります。
温度が上昇するにつれて、この架橋は徐々に弱まり、消失し、ポリマーは一定の流動性を持ち、熱可塑的に加工することができます。 温度が下がると、この架橋は徐々に回復し、再び形成されます。 少量のフィラーを添加すると分子間の距離が長くなり、分子間の水素結合を形成する能力が弱まり、強度が急激に低下します。
3. グループの安定性
調査によると、ポリウレタンゴムの各グループの安定性の順序は、エステル、エーテル、尿素、ウレタン、ビウレットです。 ポリウレタンゴムの老化プロセスでは、最初にビウレット基と尿素基が切断されます。ギ酸架橋が切断され、続いてウレタン結合と尿素結合が切断されます。つまり、主鎖が切断されます。
ポリウレタンゴムの性質
TPUの弾性率は、ゴムとプラスチックの間です。 他のゴムやプラスチックにはない硬さと弾力性を兼ね備えているのが最大の特徴です。
TPUは、ポリエステル系とポリエーテル系の2種類に分けられます。 物性で比較すると、硬度の低いゴムにはポリエステル系が、硬度の高いゴムにはポリエーテル系が優れています。 ポリエステルゴムは耐油性、耐熱性、金属密着性に優れ、ポリエーテル系は耐加水分解性、耐寒性、抗菌性に優れています。
1. 環境特性
TPU は一般に耐熱性に優れており、連続して長時間使用する場合の温度は 80 ～ 90 度で、短時間で約 120 度に達することがあります。 ポリウレタンの耐低温性も良好です。 ポリエステルポリウレタンの脆化温度は-40℃、ポリエーテルポリウレタンは-70～-80℃ですが、低温では硬くなります。
TPUの耐油性は比較的良好ですが、耐水性は構造によって異なります。 TPU の最も深刻な劣化は、エステル形成反応の可逆性によって引き起こされます。 エステルが水と接触すると、酸の再形成が分子の崩壊につながる自己触媒反応の原因となります。 ポリエステルウレタンは、水に完全に浸すよりも、空気中の湿気にさらされると分解しやすくなります。 これは、水に浸すと、形成された酸が絶えず洗い流されるためです。
ポリエーテル ポリウレタンの耐加水分解性は、エーテル基が水と反応しないため、ポリエステル ポリウレタンの 3 ～ 5 倍です。
水分の侵入がポリウレタンの性能低下につながる理由は2つあります。1つは、侵入した水分がポリウレタンの極性基と水素結合を形成し、ポリマー分子間の水素結合を弱めることです。 このプロセスは可逆的です。 物性回復後。
2 つ目は、侵入した水がポリウレタンを加水分解することです。これは不可逆的です。
ポリウレタンは、日光に長時間さらされると変色して黒ずみ、物性が徐々に低下します。 酵素菌もポリウレタンを分解する原因となるため、工業生産で使用されるポリウレタンゴムには酸化防止剤、紫外線吸収剤、抗酵素剤などが添加されています。
2. 機械的性質
引張強度：ポリウレタンゴムの引張強度は比較的高く、一般に28〜42 MPaに達し、TPUはその中間で約35 MPaです。
伸び: 一般に 400 から 600 まで、最大は 1000% です。
弾性：ポリウレタンの弾性は比較的高いですが、ヒステリシス損失も比較的大きいため、発熱が大きくなります。 多重曲げや高速圧延などの負荷条件で破損しやすい。
硬度：ポリウレタンの硬度範囲は他のゴムよりも広く、最低はショア硬度10で、ほとんどの製品は硬度45～95です。硬度が70度を超えると、引張強度と固定伸び強度が低下します天然ゴムより高い。 硬度が80～90度の場合、引張強さ、固定伸び強さ、引き裂き強さがかなり高くなります。
引き裂き強度: ポリウレタンの引き裂き強度は比較的高いです。 試験温度が100-110度まで上昇すると、引き裂き強度はスチレンブタジエンゴムと同等になります。
耐摩耗性：ポリウレタンの耐摩耗性は非常に良好で、天然ゴムの9倍、スチレンブタジエンゴムの1～3倍です。
処理要件
TPUには、プラスチックとゴムの2つの特徴があります。 このユニークな物理的および化学的特性により、金型設計と射出成形で特別な処理が必要になります。
金型設計:
1. ランナーの設計:
スプルーは圧力が最も高い場所であるため、射出圧力を解放すると、スプルー内のドレンが弾性膨張により抵抗を増し、ノズルが前金型に張り付く原因となります。 したがって、金型を設計するときは、スプルーの離型勾配をできるだけ大きくする必要があります。 . スプルーの小さい方の端のサイズは、射出成形機のノズルの直径より小さくすることはできません。 大端部のサイズが大きくなると、追加の冷却時間が必要になり、射出サイクルが長くなります。 したがって、脱型勾配の増加は、主にスプルーの長さを短くすることによって実現されます。
通常の状況下では、メイン チャネルの小さい方の端の直径は約 2.5 ～ 3.0 mm で、大きい方の端の直径は 6.0 mm 未満であり、長さは40mmを超えます。 主水路の端には、大端と同じかわずかに大きい直径のコールドウェルを設置して、コールドグルーを回収し、水の出口を固定する必要があります。
ランナーの直径は、製品の構造とランナーの長さに依存する必要があります。 一般的に言えば、4.0 mm 未満であってはなりません。 シャントチャンネルは、より良い冷却効果を得るために円形を採用しています。
2. ゲートの設計:
TPU は流動性が低いため、ゲートを通過するコロイドのジェッティングと分子配向によって引き起こされる横方向と縦方向の収縮の不一致を避けるために、ゲートの深さと幅は他の熱可塑性材料よりも大きくする必要があります。 、一方、長さ寸法 コロイドの通過を容易にするために、通常のものよりも小さくなっています。 ゲートが長すぎると、充填中にコロイドが排出され、製品の外観に影響を与えます。 材料の過剰なせん断と発熱を引き起こす可能性のあるピン ゲートは、できるだけ避ける必要があります。
3. 排気溝の設計:
特にゴム材料の充填方向が急激に変化する場合や、最終的に充填される部分では、排気の設定には十分注意してください。 排気溝の深さは、TPU の種類によって区別する必要があります。 場合によっては、排気溝の深さが 0.01mm しかなく、排気溝にドレープが発生します。これは、TPU の特殊な材料特性と重要な関係があります。
4. 冷却システムの設計:
金型の冷却効果が向上します。 他の熱可塑性材料の場合、製品表面の固化層が射出成形時に十分な強度を持っている限り、製品をより高い温度で突き出し、脱型することができます。 TPUの場合、温度が高いと分子間の水素結合が回復せず、製品の引張強度が低くなります。 無理な押し出し、脱型は製品の変形につながるだけです。 キーは完全に回復し、TPU が十分な強度を持っている場合にのみ、TPU を脱型できます。これには、金型の冷却効果を高める必要があります。
5. 収縮率の決定:
TPU の収縮率は、使用する TPU ブランド、製品の厚さと構造、および射出成形時の温度と圧力によって大きく異なり、その範囲は {{0}}.1 ～ 2.0% です。 . 金型を設計するときは、原材料の収縮率のデータを参照するだけでなく、製品の構造と厚さに応じて、射出成形に使用される射出温度と圧力を推定し、適切な修正を行う必要があります。 局所的な接着位置が厚い製品ほど、射出成形に必要な圧力が大きくなり、成形品の収縮率が小さくなるため、TPUの収縮率を下げる必要があります。 接着位置が比較的均一で厚みのある製品の場合、収縮率の値を適切に大きくする必要があります。
インジェクション加工
1.原料の乾燥水分の侵入によりTPUが劣化する可能性があるため
TPUの含水率が0.2パーセントを超えると、製品の外観に影響を与えるだけでなく、機械的特性も明らかに低下し、射出成形品の弾力性と強度が低下します。 したがって、射出成形前に 80 度から 110 度の温度で 2 時間から 3 時間乾燥させる必要があります。
2.バレルの洗浄
射出成形機のバレルは洗浄する必要があり、他の原材料をほとんど混合しないと、製品の機械的強度が低下します。 ABS、PMMA、および PE で洗浄したバレルは、射出成形前に TPU ノズル材料で再度洗浄し、バレル内の残留材料を TPU ノズル材料で除去する必要があります。
3. 処理温度の管理
TPU の加工温度は、製品の最終的なサイズ、外観、変形に重大な影響を与えます。 温度は、使用する TPU のグレードと金型設計の特定の条件によって異なります。 一般的な傾向として、収縮率を小さくするには、加工温度を上げる必要があります。 大きな収縮率を得るには、加工温度を下げる必要があります。 TPU の通常の加工温度範囲内であっても、原材料がバレル内に長時間留まると、TPU の熱劣化につながり、射出成形の前にバレル内の残留材料を空にする必要があります。 ノズル温度の制御も非常に重要です。 通常の状態では、バレル先端の温度より約 5 度高いはずです。
4. 射出速度と圧力の制御
射出速度を下げて滞留時間を長くすると、分子配向が向上し、得られる製品サイズは小さくなりますが、製品の変形が大きくなり、横収縮と縦収縮の差が大きくなります。 保持圧力が大きいと、金型内でコロイドが過剰に圧縮され、脱型後の製品のサイズが金型キャビティのサイズよりも大きくなります。
5. 溶融速度と背圧の制御
TPU素材はせん断に対してより敏感です。 高い溶融速度と背圧によって発生するせん断熱が高すぎると、TPU の熱劣化につながります。 したがって、TPUの溶融には一般的に低速または中速が使用されます。 射出成形サイクルが長い場合は、遅延溶融機能を使用する必要があります。溶融が完了してから型開きを開始し、原材料がバレル内に長時間留まり、劣化するのを防ぎます。
