Provera teorija nastajanja i gumolike elastičnosti polimernih mreža na modelnim poli(uretan-izocijanuratnim) sistemima

Abstract

U radu su prvi put za proveru teorija nastajanja i gumolike elastičnosti polimernih mreža primenjeni modelni poliuretanski sistemi čiji su čvorovi veoma stabilni izocijanurat(heksahidro-1,3,5-triazin- 2,4,6-trion) prstenovi. Rad obuhvata: (1) Sintetezu nekoliko serija homogenih poli(uretan-izocijanuratnih) mreža, na bazi 2.4-TDI i poli(oksipropilen)diola, dvoetapnim postupkom u masi, tj. ciklotrimerizacijom teleheličnih diizocijanata uz katalizator Polycat 41. (2) Sintezu manje savršenih mreža sa nekom definisanom koncentracijom visećih lanaca koja je postignuta uvodenjem monoola dietilenglikol- monometiletra u toku pripreme prepolimera. (3) Odredivanje povoljnih reakcionih uslove svih etapa sinteze uz primenu i modifikaciju postojećih analitičkih postupaka za karakterizaciju svojstava reakcionih komponenti i praćenja reakcija umrežavanja. (4) Procenu mogućih bočnih reakcija u toku nastajanja mreža jer one mogu značajno uticati na raspodelu različitih fragmenata u mrežama praćenjem koncentracija reakcionih proizvoda kod modelnih reakcija u rastvoru uz isti diol i isti katalizator i odgovarajuće mono-funkcionalne izocijanatne komponente. (5) Karakterizaciju svojstava i strukturnih parametara modelnih mreža i to primenom postupaka ekstrakcije i bubrenja, diferencijalne skanirajuće kalorimetrije, fotoelastičnih merenja, dinamičko-mehaničke spektroskopije i merenja napon-istezanje. Izborom nominalne Mn diola od 400 do 4000 postigne gustina umreženja 0.1x10-4mol/cm3 do 10x10-4mol/cm3 sa rasponom temperatura staklastog prelaza od -60°C do +30°C. Za procenu strukturnih parametara mreža primenjena je teorija granajućih procesa sa kaskadnom zamenom za slučaj nastajanja mreža ciklotrimerizacijom i dvoetapni postupak. U zavisnosti od konverzije NCO grupa u mrežama izračunate su masa po monomernoj jedinici, maseni udeo, broj po monomernoj jedinici, koncentracija po jedinici zapremine, Mn, Mw, Mz i Mw/Mn kako za elastično aktivne, osnovne i viseće lance tako i zamolekule sola. Ključni ekspehmentalni podaci koji su korišćeni za proveru teorija nastajanja bio sadržaj gela dobijen višestrukim ekstrakcijama, a za teorije gumolike elastičnosti ravnotežni modul dobijen iz fotoelastičnih merenja. Provera teorija gumolike elastičnosti se zasnivala se u nalaženje vrednosti pred- faktora 3 (tzv. faktora pamćenja) u jednačini koja daje vezu ravnotežnog modula elastičnosti i koncentracije elastično aktivnih lanaca mreže koji ukazuje na način fluktuacije cvorova mreže. Fotoelastična merenja su omogućila da se preko njih parameter pred-faktor 3 proceni pri malim deformacijama. Potvrden je koncept stvarnih mreža sa delimično potisnutim fluktuacijama čvorova uz aditivni doprinos zapletenosti lanaca modulu elastičnosti prema Langley-Graesley konceptu zarobljenih prepletaja.

In this thesis polymer network formation theories and rubber elasticity of polymer networks on model polyurethane systems having as a junction very stable isocyanurate(hexahidro-1,3,5-tгiazin-2,4,6- trion) rings are for the first time investigated. The work contains: (1) Synthesis of homogenious series of several poly(urethane-isocyanurate) networks based on poly(oxypropylene)diol and 2.4-TDI by two stages procedures in bulk i.e. cyclotrimerization of telechelic diisoicyanates with Polycat 41 as catalyst. (2) Synthesis of less perfect networks with some concentration of dangling chains obtained by introduction of monofunctional component diethyleneglycolmonomethylether during prepolymer formation. (3) Determination of optimal reaction conditions for both stages of the synthesis. (4) Estimation of possible side reaction during network formation because of theirs important influence on nework fragment distribution. (5) Caracterization of networks structure and properties by swelling and multiply extraction, differential scanning calorimetry, photoelastical measurements, dynamic-mechanical spectroscopy and stress-strain measurements. By using the different Mn of diols (400 - 4000) the network density from 0.1x10-4mol/cm3 to 10x10-4mol/cm3 and glass transition temperatures from -60°C to +30°C was achieved. For network structure determinations the theory of branching processes with cascade substitution was used. Mass per monomer unit, mass fraction, number per monomer unit, concentration per unit volume, Mn, Mw, Mz and Mw/Mn for elastically active network chains, backbone chains, dangling chains and sol molecules In the dependence on NCO groups conversion are calculated. Crucial experimental data for examination of network formation theories was the gel content and for rubber elasticity theories the equilibrium modulus received from photoelastical measurement. The estimation of rubber elasticity theories was based on the analysis of the front factor 3 in the equation which gives the relation between the equilibrium modulus and concentration of elastically active network chains. It is estimated the additive contribution of chain entanglements to the equilibrium modulus, especially in the case of high networks density according to Langley-Graesley theory of trapped entanglements.