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Sind Polyurethan-Werkstoffe hochtemperaturbeständig? Polyurethan ist im Allgemeinen nicht hochtemperaturbeständig. Selbst bei einem herkömmlichen PPDI-System liegt die maximale Temperaturgrenze nur bei etwa 150 °C. Gewöhnliche Polyester- oder Polyethertypen halten Temperaturen über 120 °C möglicherweise nicht stand. Polyurethan ist jedoch ein hochpolares Polymer und im Vergleich zu herkömmlichen Kunststoffen hitzebeständiger. Daher ist die Definition des Temperaturbereichs für Hochtemperaturbeständigkeit oder die Unterscheidung verschiedener Anwendungen von entscheidender Bedeutung.
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Wie lässt sich also die thermische Stabilität von Polyurethan-Werkstoffen verbessern? Die grundlegende Lösung besteht darin, die Kristallinität des Materials zu erhöhen, wie beispielsweise bei dem bereits erwähnten hochgradig regelmäßigen PPDI-Isocyanat. Warum verbessert eine erhöhte Kristallinität des Polymers dessen thermische Stabilität? Die Antwort ist im Grunde jedem bekannt: Die Struktur bestimmt die Eigenschaften. Heute möchten wir versuchen zu erklären, warum eine Verbesserung der Regelmäßigkeit der Molekülstruktur eine Verbesserung der thermischen Stabilität mit sich bringt. Die Grundidee ergibt sich aus der Definition bzw. Formel der Gibbs-Freien Energie, d. h. △G=H-ST. Die linke Seite von G steht für die freie Energie, und die rechte Seite der Gleichung ist H die Enthalpie, S die Entropie und T die Temperatur.
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Die Gibbs-Freie-Energie ist ein Energiebegriff in der Thermodynamik. Ihre Größe ist oft ein relativer Wert, d. h. die Differenz zwischen Anfangs- und Endwert. Daher wird ihr das Symbol △ vorangestellt, da der absolute Wert nicht direkt ermittelt oder dargestellt werden kann. Ein abnehmender Wert von △G, d. h. ein negativer Wert, bedeutet, dass die chemische Reaktion spontan ablaufen kann oder für eine bestimmte erwartete Reaktion günstig ist. Dies kann auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Reaktion in der Thermodynamik existiert oder reversibel ist. Der Grad oder die Geschwindigkeit der Reduktion kann als die Kinetik der Reaktion selbst verstanden werden. H ist im Grunde die Enthalpie, die näherungsweise als die innere Energie eines Moleküls verstanden werden kann. Die oberflächliche Bedeutung der chinesischen Schriftzeichen lässt sich grob erraten, da Feuer nicht

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S stellt die Entropie des Systems dar. Sie ist allgemein bekannt und ihre wörtliche Bedeutung ist ziemlich klar. Sie steht in Beziehung zur Temperatur T oder wird durch sie ausgedrückt. Ihre grundlegende Bedeutung ist der Unordnungs- oder Freiheitsgrad des mikroskopisch kleinen Systems. An dieser Stelle ist dem aufmerksamen kleinen Freund vielleicht aufgefallen, dass die Temperatur T, die mit dem Wärmewiderstand zusammenhängt, den wir heute besprechen, endlich aufgetaucht ist. Ich möchte nur kurz auf das Konzept der Entropie eingehen. Entropie kann leicht als das Gegenteil von Kristallinität aufgefasst werden. Je höher der Entropiewert, desto ungeordneter und chaotischer ist die Molekülstruktur. Je regelmäßiger die Molekülstruktur, desto besser ist die Kristallinität des Moleküls. Schneiden wir nun ein kleines Quadrat aus der Polyurethan-Gummirolle aus und betrachten dieses kleine Quadrat als vollständiges System. Seine Masse ist festgelegt. Unter der Annahme, dass das Quadrat aus 100 Polyurethanmolekülen besteht (in Wirklichkeit sind es N Moleküle), können wir △G als einen sehr kleinen numerischen Wert oder unendlich nahe Null approximieren, da Masse und Volumen grundsätzlich unverändert bleiben. Dann lässt sich die Formel für die Gibbs-Freie-Energie in ST=H umformen, wobei T die Temperatur und S die Entropie ist. Das heißt, der Wärmewiderstand des kleinen Polyurethanquadrats ist proportional zur Enthalpie H und umgekehrt proportional zur Entropie S. Dies ist natürlich eine Näherungsmethode, und es ist am besten, △ davor zu setzen (erhalten durch Vergleich).
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Es ist nicht schwer zu erkennen, dass die Verbesserung der Kristallinität nicht nur den Entropiewert senken, sondern auch den Enthalpiewert erhöhen kann, d. h. das Molekül vergrößert sich, während der Nenner (T = H/S) kleiner wird, was bei einer Erhöhung der Temperatur T offensichtlich ist und eine der wirksamsten und gebräuchlichsten Methoden ist, unabhängig davon, ob T die Glasübergangstemperatur oder die Schmelztemperatur ist. Man muss sich darüber im Klaren sein, dass die Regelmäßigkeit und Kristallinität der Molekülstruktur des Monomers und die allgemeine Regelmäßigkeit und Kristallinität der hochmolekularen Verfestigung nach der Aggregation grundsätzlich linear sind, was annähernd äquivalent oder linear verstanden werden kann. Die Enthalpie H wird hauptsächlich durch die innere Energie des Moleküls beigetragen, und die innere Energie des Moleküls ist das Ergebnis unterschiedlicher Molekülstrukturen mit unterschiedlicher molekularer potentieller Energie, und die molekulare potentielle Energie ist das chemische Potenzial, die Molekülstruktur ist regelmäßig und geordnet, was bedeutet, dass die molekulare potentielle Energie höher ist und es leichter zu Kristallisationsphänomenen kommt, wie z. B. der Kondensation von Wasser zu Eis. Außerdem haben wir gerade 100 Polyurethanmoleküle angenommen. Die Wechselwirkungskräfte zwischen diesen 100 Molekülen wirken sich auch auf die Wärmebeständigkeit dieser kleinen Walze aus, wie etwa physikalische Wasserstoffbrücken. Obwohl sie nicht so stark sind wie chemische Bindungen, ist die Zahl N jedoch groß. Das offensichtliche Verhalten der relativ stärkeren molekularen Wasserstoffbrücken kann den Grad der Unordnung verringern oder den Bewegungsbereich jedes Polyurethanmoleküls einschränken, sodass Wasserstoffbrücken sich positiv auf die Verbesserung der Wärmebeständigkeit auswirken.