Thermoplastisches Polyurea (TPU) ist ein elastisches Material, das in zahlreichen Anwendungen breite Verwendung findet, von Beschichtungen und Schäumen bis hin zu dielektrischen Materialien für Kondensatoren und Aktuatoren. Aktuelle Synthesemethoden für Polyurea sind jedoch abhängig von hochreaktiven Isocyanaten, Lösungsmitteln und Katalysatoren, was erhebliche Sicherheitsbedenken aufwirft. Dieser Artikel beschreibt detailliert die Synthese und Charakterisierung von schmelzverarbeitbaren Poly(tetramethylenoxid) (PTMO)-segmentierten Polyurea-Elastomeren unter Verwendung einer isocyanat-, lösungs- und katalysatorfreien Methode. Dynamisch-mechanische Analyse und Differentialscanningkalorimetrie zeigen die Mikrophasenseparation zwischen den Soft- und Hardsegmenten des Polyureas. Zugversuche zeigen hohe Bruchdehnungen für alle segmentierten Copolymere von 340 bis 770 % und ein einstellbares Modul von 0,76 bis 29,5 MPa. Dielektrische Spektroskopie zeigt, dass die Zusammensetzung mit 20 Gew.-% Polyurea-Hartsegment den höchsten dielektrischen Wert von 10,6 (1 kHz, 300 K) unter den segmentierten Copolymeren aufweist, was das Potenzial für Anwendungen als dielektrisches Elastomer andeutet.
Polyurea-Elastomere bestehen aus sich abwechselnden, kovalent gebundenen Soft- und Hardsegmenten aus Polyurea. Weiche Polymere mit niedriger Tg definieren die Softsegmente und verleihen dem Copolymer Flexibilität, während die Hardsegmente als physikalische Vernetzungspunkte wirken und mechanische Festigkeit erzeugen. Die elastischen Eigenschaften von Polyurea resultieren aus der Mikrophasenseparation, die zwischen den Soft- und Hardsegmenten auftritt.
Herkömmliche Verfahren zur Polyurea-Synthese verwenden toxische Diisocyanate, die mit Diaminen reagieren, was erhebliche Bedenken hinsichtlich der menschlichen Gesundheit und der Umwelt aufwirft. Dieser Artikel beschreibt eine Strategie, bei der Harnstoff als Comonomer verwendet wird, um PTMO-basierte Polyurea mit einem Hardsegment-Gehalt von 5 bis 30 Gew.-% zu erzeugen. Die Schmelzpolykondensation von kommerziellem PTMO-basiertem Diamin mit Harnstoff und einem etherhaltigen Diamin-Kettenverlängerer in Abwesenheit von Katalysatoren erzeugt eine Reihe von schmelzverarbeitbaren, segmentierten Polyureas.
Die thermogravimetrische Analyse (TGA) nach der stufenweisen isothermen Methode lieferte ein Verfahren zur Schätzung der Zusammensetzung jedes Polyureas. Die TGA-Ergebnisse zeigen eine gute Korrelation zwischen dem Gewichtsverlust in jedem Schritt und der angestrebten Zusammensetzung der Soft- und Hardsegmente von Polyurea für jedes segmentierte Copolymer.
Die dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) zeigt die thermischen Übergänge der Polyureas. Alle PTMO-haltigen Polyureas weisen eine charakteristische Tg bei -76 °C für das Softsegment auf. Der Einbau von DEOEU-Hardsegmenten in das Polyurea senkt den Schmelzpunkt des Softsegments um 10–15 °C, wenn die Konzentration der Softsegmentdomänen abnimmt.
Die dynamisch-mechanische Analyse (DMA) zeigt den Speichermodul als Funktion der Temperatur. Das Vorhandensein eines Plateaumoduls nach dem Schmelzübergang von PTMOU in den segmentierten Copolymeren deutet auf eine Mikrophasenseparation hin. Das Plateaumodul nimmt mit zunehmendem Hardsegmentgehalt aufgrund der Zunahme von Wasserstoffbrückenbindungen und Kristallinität zu.
Zugversuche zeigen hohe Bruchdehnungen in segmentierten Polyureas von 340 bis 770 % Dehnung, was Beispielen in der Literatur für Polyurea auf Isocyanatbasis entspricht. Der Elastizitätsmodul und die Zugfestigkeit nehmen mit zunehmendem Einbau von Hardsegmenten signifikant zu, was zeigt, dass die mechanischen Eigenschaften mit diesem Verfahren variiert werden können.
Die Breitband-Dielektrizitätsspektroskopie zeigt die relative Permittivität und den dielektrischen Verlust für jedes Polymer. Polyurea mit 20 Gew.-% DEOEU weist die höchste Permittivität (10,6) unter den segmentierten Copolymeren auf, die bei 1 kHz und 300 K gemessen wurde.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass PTMO-basierte segmentierte Polyureas, die mit einem isocyanatfreien Verfahren synthetisiert wurden, vielversprechende mechanische und dielektrische Eigenschaften für Anwendungen wie dielektrische Elastomere aufweisen. Weitere Forschung ist erforderlich, um diese Eigenschaften zu optimieren und andere potenzielle Anwendungen zu erforschen.