1
วัสดุโพลียูรีเทนทนต่ออุณหภูมิสูงหรือไม่? โดยทั่วไปแล้ว โพลียูรีเทนไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง แม้แต่ในระบบ PPDI ทั่วไป อุณหภูมิสูงสุดที่ยอมรับได้จะอยู่ที่ประมาณ 150°C เท่านั้น โพลีเอสเตอร์หรือโพลีอีเทอร์ทั่วไปอาจไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงกว่า 120°C ได้ อย่างไรก็ตาม โพลียูรีเทนเป็นโพลิเมอร์ที่มีขั้วสูง และเมื่อเทียบกับพลาสติกทั่วไปแล้ว โพลียูรีเทนมีความทนทานต่อความร้อนมากกว่า ดังนั้น การกำหนดช่วงอุณหภูมิสำหรับการทนต่ออุณหภูมิสูงหรือการแยกประเภทการใช้งานจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
2
แล้วเราจะปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุโพลียูรีเทนได้อย่างไร? คำตอบพื้นฐานคือการเพิ่มความเป็นผลึกของวัสดุ เช่น ไอโซไซยาเนต PPDI ที่มีความสม่ำเสมอสูงดังที่กล่าวไปแล้ว เหตุใดการเพิ่มความเป็นผลึกของพอลิเมอร์จึงช่วยเพิ่มเสถียรภาพทางความร้อน? คำตอบเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วโดยทั่วไป นั่นคือ โครงสร้างเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติ วันนี้เราจะพยายามอธิบายว่าเหตุใดการปรับปรุงความสม่ำเสมอของโครงสร้างโมเลกุลจึงนำไปสู่การปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน แนวคิดพื้นฐานมาจากนิยามหรือสูตรของพลังงานอิสระของกิบส์ นั่นคือ △G = H-ST ด้านซ้ายของ G แทนพลังงานอิสระ และด้านขวาของสมการ H คือเอนทัลปี S คือเอนโทรปี และ T คืออุณหภูมิ
3
พลังงานอิสระกิบส์เป็นแนวคิดด้านพลังงานในอุณหพลศาสตร์ และขนาดของพลังงานนี้มักเป็นค่าสัมพัทธ์ นั่นคือความแตกต่างระหว่างค่าเริ่มต้นและค่าสิ้นสุด ดังนั้นจึงใช้สัญลักษณ์ △ นำหน้า เนื่องจากค่าสัมบูรณ์ไม่สามารถหาหรือแสดงได้โดยตรง เมื่อ △G ลดลง นั่นคือเมื่อเป็นค่าลบ หมายความว่าปฏิกิริยาเคมีสามารถเกิดขึ้นเองได้ หรือเอื้ออำนวยต่อปฏิกิริยาที่คาดหวังไว้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อพิจารณาว่าปฏิกิริยานั้นมีอยู่จริงหรือสามารถย้อนกลับได้ในอุณหพลศาสตร์ ระดับหรืออัตราการรีดักชันสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยานั้นเอง H โดยพื้นฐานแล้วคือเอนทัลปี ซึ่งสามารถเข้าใจได้โดยประมาณว่าเป็นพลังงานภายในของโมเลกุล สามารถเดาความหมายคร่าวๆ ได้จากตัวอักษรจีน เนื่องจากไฟไม่ใช่

4
S แทนเอนโทรปีของระบบ ซึ่งเป็นที่ทราบกันโดยทั่วไป และความหมายตามตัวอักษรก็ค่อนข้างชัดเจน เกี่ยวข้องกับหรือแสดงในรูปของอุณหภูมิ T และความหมายพื้นฐานของมันคือระดับของความไม่เป็นระเบียบหรืออิสระของระบบขนาดเล็กในระดับจุลภาค ณ จุดนี้ เพื่อนตัวน้อยที่ช่างสังเกตอาจสังเกตเห็นว่าอุณหภูมิ T ที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานความร้อนที่เรากำลังพูดถึงในวันนี้ได้ปรากฏขึ้นในที่สุด ขอพูดนอกเรื่องเล็กน้อยเกี่ยวกับแนวคิดเอนโทรปี เอนโทรปีอาจเข้าใจอย่างโง่เขลาว่าตรงกันข้ามกับความเป็นผลึก ยิ่งค่าเอนโทรปีสูง โครงสร้างโมเลกุลก็จะยิ่งมีระเบียบและวุ่นวายมากขึ้น ยิ่งโครงสร้างโมเลกุลมีความสม่ำเสมอสูง ความเป็นผลึกของโมเลกุลก็จะยิ่งดีขึ้น ทีนี้ ลองตัดแผ่นยางโพลียูรีเทนเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็กๆ แล้วถือว่าสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็กๆ นี้เป็นระบบที่สมบูรณ์ มวลของมันจะคงที่ โดยสมมติว่าสี่เหลี่ยมจัตุรัสประกอบด้วยโมเลกุลโพลียูรีเทน 100 โมเลกุล (ในความเป็นจริงมีอยู่ N โมเลกุล) เนื่องจากมวลและปริมาตรของมันไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน เราสามารถประมาณค่า △G เป็นค่าตัวเลขที่น้อยมากหรือใกล้ศูนย์อย่างไม่มีที่สิ้นสุด จากนั้นสูตรพลังงานอิสระของกิ๊บส์สามารถแปลงเป็น ST=H โดยที่ T คืออุณหภูมิ และ S คือเอนโทรปี กล่าวคือ ความต้านทานความร้อนของสี่เหลี่ยมจัตุรัสเล็กโพลียูรีเทนจะแปรผันตามเอนทัลปี H และแปรผกผันกับเอนโทรปี S แน่นอนว่านี่เป็นวิธีการประมาณค่า และควรเติม △ ไว้ข้างหน้า (ซึ่งได้จากการเปรียบเทียบ)
5
ไม่ใช่เรื่องยากที่จะพบว่าการปรับปรุงสภาพผลึกไม่เพียงแต่ช่วยลดค่าเอนโทรปีเท่านั้น แต่ยังเพิ่มค่าเอนทัลปีได้อีกด้วย นั่นคือ การเพิ่มโมเลกุลพร้อมกับลดตัวส่วน (T = H/S) ซึ่งเห็นได้ชัดจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ T และเป็นหนึ่งในวิธีการที่มีประสิทธิภาพและเป็นที่นิยมใช้มากที่สุด ไม่ว่า T จะเป็นอุณหภูมิเปลี่ยนสถานะแก้วหรืออุณหภูมิหลอมเหลว สิ่งที่ต้องเปลี่ยนสถานะคือความสม่ำเสมอและความเป็นผลึกของโครงสร้างโมเลกุลโมโนเมอร์ รวมถึงความสม่ำเสมอและความเป็นผลึกโดยรวมของการแข็งตัวของโมเลกุลสูงหลังจากการรวมตัวเป็นเส้นตรง ซึ่งอาจเทียบเท่าหรือเข้าใจได้ในลักษณะเชิงเส้น เอนทัลปี H ส่วนใหญ่เกิดจากพลังงานภายในโมเลกุล และพลังงานภายในโมเลกุลเป็นผลมาจากโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันซึ่งมีพลังงานศักย์โมเลกุลที่แตกต่างกัน และพลังงานศักย์โมเลกุลคือศักย์เคมี โครงสร้างโมเลกุลมีความสม่ำเสมอและเป็นระเบียบ ซึ่งหมายความว่าพลังงานศักย์โมเลกุลสูงขึ้น และทำให้เกิดปรากฏการณ์การตกผลึกได้ง่ายขึ้น เช่น การควบแน่นของน้ำเป็นน้ำแข็ง นอกจากนี้ เราถือว่ามีโมเลกุลโพลียูรีเทน 100 โมเลกุล แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุล 100 โมเลกุลเหล่านี้จะส่งผลต่อความต้านทานความร้อนของลูกกลิ้งขนาดเล็กนี้ด้วย เช่น พันธะไฮโดรเจนทางกายภาพ แม้ว่าพันธะไฮโดรเจนจะไม่แข็งแรงเท่าพันธะเคมี แต่จำนวน N ก็มาก พฤติกรรมที่เห็นได้ชัดของพันธะไฮโดรเจนที่มีโมเลกุลมากกว่าโดยสัมพันธ์กันสามารถลดระดับความไม่เป็นระเบียบหรือจำกัดช่วงการเคลื่อนที่ของโมเลกุลโพลียูรีเทนแต่ละโมเลกุลได้ ดังนั้น พันธะไฮโดรเจนจึงเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงความต้านทานความร้อน