Почему полиуретан, ПВХ и силикон могут служить клеями, пластмассами, каучуками или кожей?

Полиуретан (PU), поливинилхлорид (ПВХ) и силиконовый (полисилоксан) представляют собой три материала, широко используемые в клеях, пластмассах, каучуках и коже. Их универсальность поразительна: от строительных герметиков до автомобильных шин и модной синтетической кожи, эти материалы практически вездесущи. Но достигают ли они такие разнообразные роли по тем же причинам? Эта статья углубляется в механизмы универсальности этих трех материалов, изучая их молекулярные структуры, физико -химический характер и практические применения, подчеркивая их сходства и различия. Исследования показывают, что полиуретан и силикон достигают настройки производительности в основном посредством дизайна молекулярной структуры, тогда как ПВХ в большей степени зависит от добавок для модификации производительности (поливинилхлорид - Википедия).

Основные различия между клеями, пластмассовыми, каучуками и кожей

Прежде чем анализировать три материала, давайте проясним основные характеристики клея, пластмассы, каучука и кожи:

• Клей: Требовать хорошей межфазной смачиваемости и формирования надежной структуры сети при лечении для достижения связи.

• Пластмассы: Подчеркните жесткость и формованию, обычно обладая высоким модулем и прочностью, подходящей для литья или экструзии.

• Каучука: Характеризуется высокой эластичностью и восстановлением деформации, полагаясь на эластичный механизм, управляемый энтропией.

• Кожа: Традиционно относится к шкуру животных, но синтетическая кожа (например, ПВХ или силиконовая кожа) объединяют покрытия и субстраты, чтобы имитировать текстуру и долговечность подлинной кожи.

Реализация этих свойств зависит от расположения полимерных цепей, степени сшивания и взаимодействия с субстратами. В следующих разделах анализируется, как полиуретан, ПВХ и силикон соответствуют этим требованиям.

Механизм универсальности полиуретана

Полиуретан представляет собой класс полимера, образованного полиаддицией изоцианатов (–nco) и полиол (-OH), содержащих уретановые связи (–nh - coo -) в основе. Его универсальность проистекает из следующих молекулярных структурных особенностей:

1. Мягкая/жесткая структура сегмента: Мягкие сегменты (обычно полиэфирные или полиэфирные полиолы) обеспечивают гибкость и эластичность. Жесткие сегменты (сформированные из дизоцианатов и цепных расширителей) обеспечивают прочность и жесткость посредством водородной связи или кристаллических доменов.

2. Настраиваемая плотность сшивания: Контролируя реакцию сшивания, полиуретаны могут переходить от линейных термопластов к трехмерным сетевым структурам, удовлетворяя различные потребности применения.

3. Разделение микрофазы: Мягкие и твердые сегменты спонтанно отделяют микроскопически, образуя физические сшивки, сродни «кристаллической областям», улучшая свойства материала.

Как клей

Полиуретановые клеев (например, однокомпонентные типы, проникающие в влагу), достигают сильной связи с помощью этих механизмов:

• Водородная связь: –NH и –COO -группы в молекуле образуют водородные связи с поверхностями субстрата (например, металл, древесина), обеспечивая начальную адгезию.

• Реакция отверждения: После контакта с влажностью изоцианаты реагируют с водой, образуя мочевину, создавая трехмерную сшитую сеть, которая блокирует связанную структуру.

• Пример приложения: PU -клеев используется для соединения древесины и бетона в строительстве, высоко одобренных для их водостойкости и быстрого отверждения.

Как пластик

Термопластичный полиуретан (TPU), образованный с помощью литья или экструзии впрыскивания, широко используется в телефонах, автомобильных деталях и медицинских устройствах. Его ключевые характеристики включают:

• Кристалличность жесткого сегмента: Жесткие сегменты образуют, разделенные микрофазой кристаллические домены, обеспечивая прочность и жесткость.

• Гибкость мягкого сегмента: Мягкие сегменты с низкой температурой стекла (TG) придают эластичность, подходящие для применений, требующих гибкости.

• Пример приложения: TPU используется для устойчивых к износостойкому обувным подошвам и гибким обшивкам кабеля из-за его сочетания пластиковой обработки и резинообразной эластичности.

Как резина

Полиуретановые эластомеры известны высокой эластичностью и устойчивостью к истиранию, используемым в промышленных колесах, уплотнениях и подошвах обуви. Их резинообразные свойства вытекают из:

• Эластичность энтропии: Низкая TG и высокая сегментарная подвижность в мягких сегментах генерируют силу отскок, управляемые энтропией при растяжении.

• Физическое сшивание: Кристаллические домены жесткого сегмента действуют как «булавки памяти», ограничивая чрезмерное движение цепи и обеспечивая эластичное восстановление.

• Пример приложения: Elastomers PU используются для роликов конвейерных лент, так как их износостойкость и высокая грузоподъемность часто превосходят традиционную резину.

Как кожа

Полиуретановая синтетическая кожа (кожа PU) изготовлена ​​путем покрытия тканевой подложки с полиуретановым слоем, предлагая кожаную текстуру и долговечность. Его мягкость и сопротивление истирания делают его широко используемым в мебели, одежде и автомобильных интерьерах.

Механизм универсальности ПВХ

ПВХ (поливинилхлорид) представляет собой гомополимер, образованный из полимеризации мономера винилового хлорида. Его молекулярная структура относительно проста, а регулировка производительности в значительной степени зависит от добавок. Жесткость или гибкость ПВХ определяются пластификаторами (например, фталатами); Непластифицированный ПВХ (UPVC) жесткий, в то время как добавление пластификаторов делает его гибким (поливинилхлорид - Википедия).

Как клей

Сам ПВХ обычно не используется в качестве клея, но существуют специализированные клеев для ПВХ, такие как цемент растворителя ПВХ. Растворитель Цемент достигает связи с помощью «холодной сварки» путем растворения поверхности ПВХ, образуя постоянный сварной шерсти, а не традиционную межфазную адгезию.

• Пример приложения: ПВХ -растворительный цемент используется для трубных соединений, широко применяемых в конструкции из -за его быстрого соединения и высокой прочности.

Как пластик

ПВХ существует в двух основных формах:

• Жесткий ПВХ (UPVC): Используется в трубах, профилях окон и кредитных картах для его высокой прочности и химической стойкости.

• Гибкий ПВХ (PVC-P): Достигается путем добавления пластификаторов для снижения температуры стеклянного перехода (TG), подходящего для проволочной изоляции, пола и надувных продуктов.

• Пример приложения: UPVC для строительства труб; PVC-P для изоляции электрической проволоки, предпочтительный для низкой стоимости и простоты обработки.

Как резина

Гибкий ПВХ может служить резиновым заменой шлангов и уплотнений. Его гибкость происходит от пластификаторов, уменьшающих межмолекулярные силы, что позволяет легче проскальзывать цепью. Тем не менее, пластификаторы могут мигрировать, что приводит к деградации производительности или экологическим проблемам.

• Пример приложения: Гибкий ПВХ используется для садовых шлангов из -за его гибкости и долговечности.

Как кожа

Синтетическая кожа из ПВХ (кожа из ПВХ) изготовлена ​​путем покрытия тканевой подложки слоем ПВХ. Его низкая стоимость и долговечность делают его обычным явлением в мебели, одежде и автомобильных интерьерах. Тем не менее, его экологические полномочия подвергаются сомнению из -за потенциального выпуска вредных веществ (что нужно знать перед покупкой кожи из ПВХ).

Механизм универсальности силикона

Силиконовый (полисилоксан) представляет собой класс полимера с основной цепью силоксановой (Si-O) связей, где атомы кремния связаны с органическими группами (например, метил или фенил). Его уникальная молекулярная структура обеспечивает высокотемпературную устойчивость, химическую устойчивость и гибкость (силикон-Википедия). Регулируя боковые группы и плотность сшивки, силиконы могут быть сформулированы в виде жидкостей, гелей, каучуков или смол.

Как клей

Силиконовые герметики сочетают в себе функции склеивания и герметизации, широко используемые в строительной и автомобильной промышленности. Их механизмы связывания включают:

• Межфазное смачивание: Силиконовые молекулы с низкой поверхностью легко намочить различные субстраты (например, стекло, металл).

• Влагоюдительство: Однокомпонентные силиконы излечиваются путем поглощения атмосферной влаги, образуя эластичную сеть.

• Пример приложения: Силиконовые герметики зафиксировали остекление занавесной стены из -за их сопротивления погоды и эластичности.

Как пластик

Хотя силиконовые смолы могут быть использованы строго эквивалентны традиционным пластикам, для покрытий и изоляционных материалов могут использоваться, демонстрируя формулируемость, аналогичную пластмасс. Их тепло и химическая устойчивость специализируется.

• Пример приложения: Силиконовые смолы используются в электрических изоляционных лаках для их высокотемпературного сопротивления и изоляционных свойств.

Как резина

Силиконовая резина (включая комнатную температуру вулканизирующую RTV и высокотемпературную вулканизирующую HTV) известен высокотемпературной устойчивостью и эластичностью, используемым в уплотнениях, шлангах и медицинских имплантатах. Его резиновые свойства возникают из:

• Гибкая основа: Низкий ротационный энергетический барьер связей Si-O придает высокую сегментарную подвижность.

• Усиление наполнителя: Добавление наполнителей, таких как кремнезем, повышает устойчивость к прочности и истиранию.

• Пример приложения: Силиконовая резина используется для автомобильных уплотнений из -за тепла и масляной стойкости.

Как кожа

Силиконовая кожа - это появляющаяся синтетическая кожа, изготовленная путем покрытия тканевой подложки с силиконом. Его экологичность, долговечность и простота очистки позиционируют его как альтернативу коже из ПВХ и ПУ (силиконовая веганская кожа).

• Пример приложения: Силиконовая кожа используется в наружной мебели и автомобильных интерьерах для ультрафиодации ультрафиолета и воды.

Сравнение универсальности трех материалов

В таблице ниже суммируются механизмы и характеристики PU, ПВХ и силикона в применении на клеве, пластиковом, резиновом и кожаном виде:

Сходства и различия в причинах

• Полиуретан: Его «структурно программируемый» природа возникает в результате регулировки отношения мягкого/жесткого сегмента и плотности сшивки, что позволяет свободно варьироваться от мягкого к жесткому. Этот молекулярный дизайн обеспечивает превосходство в качестве клея, пластмасс и каучуков.

• ПВХ: Его универсальность зависит в основном на добавки (например, пластификаторы), изменяющие физические свойства, а не на неотъемлемая молекулярная структура. Простая гомополимерная структура ПВХ ограничивает его внутреннюю настроение, но широкое применение все еще достигается посредством корректировки состава.

• Силикон: Подобно полиуретану, силикон достигает настройки производительности, регулируя боковые группы на силоксановой цепи и плотность сшивки. Его уникальная костяка Si-O обеспечивает теплостойкость и гибкость, обеспечивая превосходную производительность в качестве кледей, каучуков и кожи.

Следовательно, универсальность полиуретановых и силиконовых стеблей от внутренней настроительности их молекулярных структур, в то время как ПВХ больше полагается на внешние добавки для модификации производительности. Сходство в подходе структурного дизайна PU и силикона приближает их к концепции «структурной программируемости», тогда как механизм ПВХ явно отличается.

Как инженеры могут использовать эти материалы

• Полиуретан: Регулируя соотношение мягкого/жесткого сегмента и плотность сшивки, могут быть разработаны материалы с определенными свойствами, такие как высокоэластичные подошвы обуви или устойчивые к истиранию уплотнения.

• ПВХ: Выбирая тип и содержание пластификатора, могут быть произведены жесткие трубы или гибкую проволочную изоляцию, хотя проблемы миграции пластификатора должны быть рассмотрены.

• Силикон: Выбирая боковые группы и методы сшивания, можно разработать высокотемпературные герметики или экологически чистая силиконовая кожа, подходящая для требовательных сред.

Заключение

Полиуретан, ПВХ и силикон могут использоваться в клеях, пластмассах, каучуках и коже, но причины их универсальности различаются. Полиуретан и силикон достигают настройки производительности с помощью молекулярной структуры, демонстрируя «структурно программируемые» характеристики, в то время как ПВХ в первую очередь изменяет производительность с помощью добавок. Хотя все трое находят широкое применение, гибкость PU и силикона молекулярного уровня делает их ближе к идеальному выбору для дизайна материала, в то время как низкая стоимость и простота обработки ПВХ обеспечивают невозможности во многих областях. Понимание взаимосвязей структуры-имущественных отношений этих материалов помогает инженерам выбирать подходящие материалы и внедрять инновации в области материаловедения.