1
วัสดุโพลียูรีเทนทนต่ออุณหภูมิสูงได้หรือไม่? โดยทั่วไปแล้ว โพลียูรีเทนไม่ทนต่ออุณหภูมิสูง แม้แต่ในระบบ PPDI ทั่วไป อุณหภูมิสูงสุดที่ทนได้ก็อยู่ที่ประมาณ 150°C เท่านั้น โพลีเอสเตอร์หรือโพลีอีเทอร์ทั่วไปอาจทนต่ออุณหภูมิได้ไม่เกิน 120°C อย่างไรก็ตาม โพลียูรีเทนเป็นพอลิเมอร์ที่มีขั้วสูง และเมื่อเทียบกับพลาสติกทั่วไปแล้ว มันทนต่อความร้อนได้ดีกว่า ดังนั้น การกำหนดช่วงอุณหภูมิที่ทนต่ออุณหภูมิสูงหรือการจำแนกการใช้งานที่แตกต่างกันจึงมีความสำคัญมาก
2
ดังนั้นจะปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อนของวัสดุโพลียูรีเทนได้อย่างไร? คำตอบพื้นฐานคือการเพิ่มความเป็นผลึกของวัสดุ เช่น ไอโซไซยาเนต PPDI ที่มีความสม่ำเสมอสูงที่กล่าวถึงไปก่อนหน้านี้ ทำไมการเพิ่มความเป็นผลึกของพอลิเมอร์จึงช่วยปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน? คำตอบนั้นเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้ว นั่นคือ โครงสร้างเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติ วันนี้เราจะมาอธิบายว่าทำไมการปรับปรุงความสม่ำเสมอของโครงสร้างโมเลกุลจึงนำไปสู่การปรับปรุงเสถียรภาพทางความร้อน แนวคิดพื้นฐานมาจากนิยามหรือสูตรของพลังงานอิสระของกิบส์ นั่นคือ △G=H-ST ด้านซ้ายของสมการ G แทนพลังงานอิสระ และด้านขวาของสมการ H คือเอนทาลปี S คือเอนโทรปี และ T คืออุณหภูมิ
3
พลังงานอิสระของกิบส์ (Gibbs free energy) เป็นแนวคิดด้านพลังงานในอุณหพลศาสตร์ และขนาดของมันมักเป็นค่าสัมพัทธ์ กล่าวคือ ความแตกต่างระหว่างค่าเริ่มต้นและค่าสุดท้าย ดังนั้นจึงใช้สัญลักษณ์ △ นำหน้า เนื่องจากไม่สามารถหาหรือแสดงค่าสัมบูรณ์ได้โดยตรง เมื่อ △G ลดลง กล่าวคือ เมื่อมีค่าเป็นลบ หมายความว่าปฏิกิริยาเคมีสามารถเกิดขึ้นได้เองหรือเอื้อต่อปฏิกิริยาที่คาดหวังไว้ นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อพิจารณาว่าปฏิกิริยานั้นมีอยู่จริงหรือผันกลับได้หรือไม่ในทางอุณหพลศาสตร์ ระดับหรืออัตราการลดลงสามารถเข้าใจได้ว่าเป็นจลนศาสตร์ของปฏิกิริยาเอง H โดยพื้นฐานแล้วคือเอนทาลปี ซึ่งสามารถเข้าใจได้โดยประมาณว่าเป็นพลังงานภายในของโมเลกุล สามารถคาดเดาได้คร่าวๆ จากความหมายโดยนัยของตัวอักษรจีน เนื่องจากไฟไม่ใช่...

4
S แทนเอนโทรปีของระบบ ซึ่งเป็นที่รู้จักกันดีและมีความหมายชัดเจน มันเกี่ยวข้องหรือแสดงในรูปของอุณหภูมิ T และความหมายพื้นฐานคือระดับความไม่เป็นระเบียบหรืออิสระของระบบขนาดเล็กระดับจุลภาค ณ จุดนี้ เพื่อนตัวน้อยที่ช่างสังเกตอาจจะสังเกตเห็นว่าอุณหภูมิ T ที่เกี่ยวข้องกับความต้านทานความร้อนที่เรากำลังพูดถึงในวันนี้ได้ปรากฏขึ้นแล้ว ขออนุญาตพูดถึงแนวคิดของเอนโทรปีสักเล็กน้อย เอนโทรปีสามารถเข้าใจได้ง่ายๆ ว่าเป็นสิ่งที่ตรงข้ามกับความเป็นผลึก ยิ่งค่าเอนโทรปีสูง โครงสร้างโมเลกุลก็จะยิ่งไม่เป็นระเบียบและวุ่นวายมากขึ้น ยิ่งโครงสร้างโมเลกุลมีความเป็นระเบียบมากเท่าไหร่ ความเป็นผลึกของโมเลกุลก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ทีนี้ ลองตัดชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมเล็กๆ ออกจากม้วนยางโพลียูรีเทน และพิจารณาชิ้นส่วนสี่เหลี่ยมเล็กๆ นั้นเป็นระบบที่สมบูรณ์ เนื่องจากมวลของมันคงที่ โดยสมมติว่าสี่เหลี่ยมจัตุรัสนั้นประกอบด้วยโมเลกุลโพลียูรีเทน 100 โมเลกุล (ในความเป็นจริงมีจำนวน N) และมวลและปริมาตรของมันแทบไม่เปลี่ยนแปลง เราจึงสามารถประมาณค่า △G เป็นค่าตัวเลขที่เล็กมากหรือใกล้เคียงศูนย์อย่างไม่มีที่สิ้นสุด จากนั้นสูตรพลังงานอิสระของกิบส์สามารถแปลงเป็น ST=H โดยที่ T คืออุณหภูมิ และ S คือเอนโทรปี นั่นคือ ความต้านทานความร้อนของสี่เหลี่ยมจัตุรัสโพลียูรีเทนขนาดเล็กเป็นสัดส่วนโดยตรงกับเอนทัลปี H และแปรผกผันกับเอนโทรปี S แน่นอนว่านี่เป็นวิธีการประมาณ และวิธีที่ดีที่สุดคือการเติม △ ไว้ข้างหน้า (ได้จากการเปรียบเทียบ)
5
ไม่ใช่เรื่องยากที่จะพบว่าการปรับปรุงความเป็นผลึกไม่เพียงแต่จะลดค่าเอนโทรปี แต่ยังเพิ่มค่าเอนทัลปีด้วย กล่าวคือ เพิ่มจำนวนโมเลกุลในขณะที่ลดตัวส่วน (T = H/S) ซึ่งเห็นได้ชัดเจนเมื่ออุณหภูมิ T เพิ่มขึ้น และเป็นหนึ่งในวิธีการที่มีประสิทธิภาพและเป็นที่นิยมมากที่สุด ไม่ว่า T จะเป็นอุณหภูมิการเปลี่ยนสถานะเป็นแก้วหรืออุณหภูมิหลอมเหลวก็ตาม สิ่งที่ต้องพิจารณาคือ ความสม่ำเสมอและความเป็นผลึกของโครงสร้างโมเลกุลโมโนเมอร์และความสม่ำเสมอและความเป็นผลึกโดยรวมของการแข็งตัวของโมเลกุลขนาดใหญ่หลังจากการรวมตัวกันนั้นเป็นไปในแนวเส้นตรง ซึ่งสามารถเทียบเคียงหรือเข้าใจได้ในเชิงเส้นตรงโดยประมาณ เอนทัลปี H ส่วนใหญ่เกิดจากพลังงานภายในของโมเลกุล และพลังงานภายในของโมเลกุลเป็นผลมาจากโครงสร้างโมเลกุลที่แตกต่างกันของพลังงานศักย์โมเลกุลที่แตกต่างกัน และพลังงานศักย์โมเลกุลคือศักย์ทางเคมี โครงสร้างโมเลกุลมีความสม่ำเสมอและเป็นระเบียบ ซึ่งหมายความว่าพลังงานศักย์โมเลกุลสูงขึ้น และง่ายต่อการเกิดปรากฏการณ์การตกผลึก เช่น การควบแน่นของน้ำกลายเป็นน้ำแข็ง นอกจากนี้ เราได้สมมติว่ามีโมเลกุลโพลียูรีเทน 100 โมเลกุล แรงปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลทั้ง 100 นี้จะส่งผลต่อความต้านทานความร้อนของลูกกลิ้งขนาดเล็กนี้ด้วย เช่น พันธะไฮโดรเจนทางกายภาพ แม้ว่าจะไม่แข็งแรงเท่าพันธะเคมี แต่เนื่องจากจำนวน N มีมาก พฤติกรรมที่เห็นได้ชัดของพันธะไฮโดรเจนในระดับโมเลกุลที่ค่อนข้างมากสามารถลดระดับความไม่เป็นระเบียบหรือจำกัดช่วงการเคลื่อนที่ของแต่ละโมเลกุลโพลียูรีเทนได้ ดังนั้นพันธะไฮโดรเจนจึงเป็นประโยชน์ต่อการปรับปรุงความต้านทานความร้อน