Les polyuréas thermoplastiques (TPU) sont des matériaux élastomères largement utilisés dans de nombreuses applications, des revêtements et mousses aux diélectriques pour condensateurs et actionneurs. Cependant, les méthodes actuelles de synthèse de la polyurée reposent sur des isocyanates hautement réactifs, des solvants et des catalyseurs, ce qui soulève de sérieuses préoccupations en matière de sécurité. Cet article présente en détail la synthèse et la caractérisation d’élastomères polyurée segmentés de poly(oxyde de tétraméthylène) (PTMO) transformables à l’état fondu, en utilisant une approche sans isocyanate, sans solvant et sans catalyseur. L’analyse mécanique dynamique et la calorimétrie différentielle à balayage révèlent une microséparation de phases entre les segments souples et les segments rigides de polyurée. Les analyses de traction montrent une déformation à la rupture élevée pour tous les copolymères segmentés, de 340 à 770 %, et un module ajustable de 0,76 à 29,5 MPa. La spectroscopie diélectrique montre que le composé contenant 20 % en poids de segments rigides de polyurée présente la permittivité diélectrique la plus élevée de 10,6 (1 kHz, 300 K) parmi les copolymères segmentés, ce qui suggère un potentiel d’application en tant qu’élastomères diélectriques.
Les élastomères polyurée sont constitués de segments souples et de segments rigides de polyurée liés de manière covalente et alternée. Le polymère souple ayant une Tg basse définit le segment souple et confère de la flexibilité au copolymère, tandis que le segment rigide agit comme une réticulation physique et fournit une résistance mécanique. Les propriétés élastomères de la polyurée découlent de la séparation de phases qui se produit entre les segments souples et les segments rigides.
Les méthodes traditionnelles de synthèse de la polyurée utilisent des diisocyanates toxiques qui réagissent avec des diamines, ce qui soulève d’importantes préoccupations pour la santé humaine et l’environnement. Cet article décrit une stratégie utilisant l’urée comme comonomère pour créer des polyuréas à base de PTMO avec des teneurs en segments rigides allant de 5 à 30 % en poids. La polycondensation à l’état fondu d’une diamine à base de PTMO commerciale avec de l’urée et un extenseur de chaîne diamine contenant un éther en l’absence de catalyseur produit une série de polyuréas segmentés transformables à l’état fondu.
L’analyse thermogravimétrique (ATG) par paliers isothermes a fourni une méthode pour estimer la composition de chaque polyurée. Les résultats de l’ATG montrent une bonne corrélation entre la perte de poids à chaque palier et la composition en segments souples et rigides de polyurée visée pour chaque copolymère segmenté.
La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) révèle les transitions thermiques des polyuréas. Tous les polyuréas contenant du PTMO présentent une Tg caractéristique à -76 °C pour le segment souple. L’incorporation de segments rigides DEOEU dans la polyurée diminue le point de fusion du segment souple de 10 à 15 °C à mesure que la concentration des domaines de segments souples diminue.
L’analyse mécanique dynamique (DMA) montre le module de conservation en fonction de la température. La présence d’un module plateau après la transition de fusion du PTMOU dans les copolymères segmentés indique une microséparation de phases. Le module plateau augmente avec l’augmentation de la teneur en segments rigides en raison de l’augmentation des liaisons hydrogène et de la cristallinité.
Les analyses de traction montrent une déformation à la rupture élevée dans les polyuréas segmentés, de 340 à 770 % de déformation, ce qui est comparable aux exemples de la littérature pour les polyuréas à base d’isocyanate. Le module de Young et la contrainte ultime augmentent considérablement avec l’incorporation croissante de segments rigides, ce qui indique la variation des propriétés mécaniques réalisable par cette approche.
La spectroscopie diélectrique à large bande montre la permittivité diélectrique relative et la perte diélectrique pour chaque polymère. La polyurée contenant 20 % en poids de DEOEU présente la permittivité diélectrique la plus élevée (10,6) parmi les copolymères segmentés mesurés à 1 kHz et 300 K.
En conclusion, les polyuréas segmentés à base de PTMO synthétisés par une approche sans isocyanate présentent des propriétés mécaniques et diélectriques prometteuses pour des applications telles que les élastomères diélectriques. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser ces propriétés et explorer d’autres applications potentielles.