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Sind Polyurethanmaterialien hochtemperaturbeständig? Im Allgemeinen ist Polyurethan nicht hochtemperaturbeständig. Selbst mit einem herkömmlichen PPDI-System liegt die maximale Temperaturgrenze bei etwa 150 °C. Herkömmliche Polyester- oder Polyether-Typen 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 die Hochtemperaturbeständigkeit bzw. die Unterscheidung verschiedener Anwendungsbereiche von entscheidender Bedeutung.
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Wie lässt sich die thermische Stabilität von Polyurethanmaterialien verbessern? Die grundlegende Antwort liegt in der Erhöhung der Kristallinität des Materials, wie beispielsweise des bereits erwähnten hochgradig regelmäßigen PPDI-Isocyanats. Warum verbessert eine höhere Kristallinität des Polymers dessen thermische Stabilität? Die Antwort ist im Grunde bekannt: Die Struktur bestimmt die Eigenschaften. Heute möchten wir erläutern, warum eine verbesserte Regelmäßigkeit der Molekularstruktur zu einer höheren thermischen Stabilität führt. Die grundlegende Idee ergibt sich aus der Definition bzw. Formel der freien Gibbs-Energie, d. h. ΔG = H - ST. Die linke Seite von G steht für die freie Energie, die rechte Seite der Gleichung für die Enthalpie, die Entropie und die Temperatur.
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Die Gibbs-Energie ist ein Energiebegriff der Thermodynamik. Ihre Größe ist oft ein relativer Wert, d. h. die Differenz zwischen Anfangs- und Endwert. Daher wird das Symbol △ davor verwendet, da der absolute Wert nicht direkt ermittelt oder dargestellt werden kann. Wenn △G abnimmt, also negativ ist, bedeutet dies, dass die chemische Reaktion spontan ablaufen kann oder für eine bestimmte erwartete Reaktion begünstigt ist. Dies kann auch verwendet werden, um festzustellen, ob eine Reaktion in der Thermodynamik existiert oder reversibel ist. Der Grad oder die Geschwindigkeit der Reduktion kann als Kinetik der Reaktion selbst verstanden werden. H ist im Wesentlichen die Enthalpie, die näherungsweise als die innere Energie eines Moleküls verstanden werden kann. Sie kann grob aus der oberflächlichen Bedeutung der chinesischen Schriftzeichen erschlossen werden, da Feuer nicht

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S steht für die Entropie des Systems, deren Bedeutung allgemein bekannt und wörtlich klar ist. Sie steht in Zusammenhang mit der Temperatur T und beschreibt den Grad der Unordnung oder Freiheit des mikroskopischen Systems. An dieser Stelle mag der aufmerksame Leser bemerkt haben, dass die Temperatur T, die mit dem heute besprochenen Wärmewiderstand zusammenhängt, nun endlich auftaucht. Lassen Sie mich kurz auf das Konzept der Entropie eingehen. Vereinfacht gesagt, kann man Entropie als das Gegenteil von Kristallinität verstehen. Je höher der Entropiewert, desto ungeordneter und chaotischer ist die Molekülstruktur. Je regelmäßiger die Molekülstruktur ist, desto höher ist die Kristallinität des Moleküls. Schneiden wir nun ein kleines Quadrat von der Polyurethan-Gummirolle ab und betrachten wir dieses kleine Quadrat als ein vollständiges System. Da die Masse des Quadrats konstant ist und angenommen wird, dass es aus 100 Polyurethanmolekülen besteht (in Wirklichkeit sind es N), und sich Masse und Volumen praktisch nicht ändern, kann ΔG näherungsweise als sehr kleiner numerischer Wert oder unendlich nahe null angenommen werden. Die Formel für die freie Gibbs-Energie lässt sich dann 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 nur eine Näherungsmethode; es empfiehlt sich, ΔG davor zu setzen (ermittelt durch Vergleich).
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Es ist leicht zu erkennen, dass eine verbesserte Kristallinität nicht nur die Entropie verringert, sondern auch die Enthalpie erhöht. Dies bedeutet, dass die Molekülgröße zunimmt und gleichzeitig der Nenner (T = H/S) sinkt. Dieser Effekt ist offensichtlich bei steigender Temperatur T und eine der effektivsten und gebräuchlichsten Methoden, unabhängig davon, ob es sich bei T um die Glasübergangstemperatur oder die Schmelztemperatur handelt. Wichtig ist, dass die Regelmäßigkeit und Kristallinität der Monomermolekülstruktur und die Gesamtregelmäßigkeit und Kristallinität der nach der Aggregation verfestigten Hochmoleküle im Wesentlichen linear miteinander korrelieren und daher annähernd gleichgesetzt oder linear interpretiert werden können. Die Enthalpie H wird hauptsächlich durch die innere Energie des Moleküls bestimmt. Diese innere Energie ergibt sich aus der unterschiedlichen Molekülpotentialenergie verschiedener Molekülstrukturen. Die Molekülpotentialenergie entspricht dem chemischen Potential. Je regelmäßiger und geordneter die Molekülstruktur ist, desto höher ist die Molekülpotentialenergie und desto leichter kommt es zu Kristallisationsvorgängen, wie beispielsweise der Kondensation von Wasser zu Eis. Darüber hinaus haben wir lediglich 100 Polyurethanmoleküle angenommen. Die Wechselwirkungskräfte zwischen diesen 100 Molekülen beeinflussen ebenfalls den Wärmewiderstand dieser kleinen Walze, wie beispielsweise physikalische Wasserstoffbrückenbindungen. Obwohl diese nicht so stark wie chemische Bindungen sind, ist die Anzahl N groß. Das offensichtliche Verhalten der relativ zahlreichen molekularen Wasserstoffbrückenbindungen kann den Grad der Unordnung verringern oder den Bewegungsbereich jedes einzelnen Polyurethanmoleküls einschränken, sodass Wasserstoffbrückenbindungen der Verbesserung des Wärmewiderstands zugutekommen.