1
هل مواد البولي يوريثان مقاومة لدرجات الحرارة العالية؟ بشكل عام، لا يُعد البولي يوريثان مقاومًا لدرجات الحرارة العالية، فحتى مع نظام PPDI العادي، لا تتجاوز درجة حرارته القصوى 150 درجة مئوية. وقد لا تتحمل أنواع البوليستر أو البولي إيثر العادية درجات حرارة أعلى من 120 درجة مئوية. مع ذلك، يُعد البولي يوريثان بوليمرًا قطبيًا للغاية، وهو أكثر مقاومة للحرارة من أنواع البلاستيك الأخرى. لذا، يُعد تحديد نطاق درجة الحرارة اللازمة لمقاومة درجات الحرارة العالية أو التمييز بين الاستخدامات المختلفة أمرًا بالغ الأهمية.
2
كيف يمكن تحسين الثبات الحراري لمواد البولي يوريثان؟ يكمن الحل الأساسي في زيادة بلورية المادة، كما هو الحال في إيزوسيانات PPDI عالي الانتظام المذكور سابقًا. لماذا تُحسّن زيادة بلورية البوليمر ثباته الحراري؟ الإجابة معروفة للجميع، وهي أن البنية تحدد الخصائص. اليوم، سنحاول شرح كيف يؤدي تحسين انتظام البنية الجزيئية إلى تحسين الثبات الحراري، وتستند الفكرة الأساسية إلى تعريف أو صيغة طاقة جيبس ​​الحرة، أي ΔG = H - ST. يُمثل الطرف الأيسر من G الطاقة الحرة، بينما يُمثل الطرف الأيمن من المعادلة H المحتوى الحراري، وS الإنتروبيا، وT درجة الحرارة.
3
طاقة غيبس الحرة مفهومٌ للطاقة في الديناميكا الحرارية، وغالبًا ما تكون قيمتها نسبية، أي الفرق بين القيمتين الابتدائية والنهائية، لذا يُستخدم الرمز △ قبلها، إذ لا يمكن الحصول على القيمة المطلقة أو تمثيلها مباشرةً. عندما تنخفض قيمة △G، أي عندما تكون سالبة، فهذا يعني أن التفاعل الكيميائي يمكن أن يحدث تلقائيًا أو أنه مُفضّل لتفاعل مُتوقع. يُمكن استخدام هذا أيضًا لتحديد ما إذا كان التفاعل موجودًا أو قابلًا للانعكاس في الديناميكا الحرارية. يُمكن فهم درجة أو معدل الانخفاض على أنه حركية التفاعل نفسه. أما H فهي في الأساس المحتوى الحراري، والذي يُمكن فهمه تقريبًا على أنه الطاقة الداخلية للجزيء. يُمكن استنتاج معناها تقريبًا من المعنى الظاهري للأحرف الصينية، حيث أن النار ليست

4
يمثل S إنتروبيا النظام، وهو مفهوم معروف ومعناه الحرفي واضح تمامًا. يرتبط الإنتروبيا بدرجة الحرارة T، أو يُعبَّر عنه بدلالة هذه الدرجة، ومعناه الأساسي هو درجة الفوضى أو حرية النظام المجهري الصغير. عند هذه النقطة، ربما لاحظ الصديق الصغير المُلاحظ ظهور درجة الحرارة T المرتبطة بالمقاومة الحرارية التي نناقشها اليوم. دعوني أتحدث قليلًا عن مفهوم الإنتروبيا. يمكن فهم الإنتروبيا ببساطة على أنها عكس التبلور. فكلما زادت قيمة الإنتروبيا، زاد اضطراب وفوضى التركيب الجزيئي. وكلما زاد انتظام التركيب الجزيئي، كان تبلور الجزيء أفضل. الآن، لنقطع مربعًا صغيرًا من لفة مطاط البولي يوريثان، ولنعتبر هذا المربع نظامًا كاملًا. بافتراض أن كتلة المربع ثابتة، وأنّه مُكوّن من 100 جزيء من البولي يوريثان (في الواقع، يوجد N جزيء)، وبما أن كتلته وحجمه ثابتان تقريبًا، يُمكننا تقريب قيمة ΔG بقيمة عددية صغيرة جدًا أو قريبة جدًا من الصفر، وبالتالي يُمكن تحويل معادلة طاقة غيبس الحرة إلى ST=H، حيث T هي درجة الحرارة، وS هي الإنتروبيا. أي أن المقاومة الحرارية لمربع البولي يوريثان الصغير تتناسب طرديًا مع المحتوى الحراري H وعكسيًا مع الإنتروبيا S. بالطبع، هذه طريقة تقريبية، ومن الأفضل إضافة Δ قبلها (يتم الحصول عليها من خلال المقارنة).
5
ليس من الصعب ملاحظة أن تحسين التبلور لا يقلل قيمة الإنتروبيا فحسب، بل يزيد قيمة الإنثالبي أيضًا، أي زيادة عدد الجزيئات مع تقليل المقام (T = H/S)، وهو أمر واضح مع ارتفاع درجة الحرارة T، ويُعد من أكثر الطرق فعالية وشيوعًا، سواء كانت T هي درجة حرارة التحول الزجاجي أو درجة حرارة الانصهار. يكمن جوهر هذا التحسين في أن انتظام وبلورية البنية الجزيئية للمونومر، والانتظام والبلورية الكليين للتصلب الجزيئي العالي بعد التجمع، يرتبطان خطيًا بشكل أساسي، ويمكن تقريبهما أو فهمهما بطريقة خطية. يُساهم الإنثالبي H بشكل رئيسي بالطاقة الداخلية للجزيء، وهذه الطاقة الداخلية هي نتاج اختلاف طاقة الوضع الجزيئية باختلاف البنى الجزيئية، وطاقة الوضع الجزيئية هي الجهد الكيميائي. كلما كانت البنية الجزيئية منتظمة ومرتبة، زادت طاقة الوضع الجزيئية، مما يُسهل حدوث ظاهرة التبلور، مثل تكثف الماء إلى جليد. إضافة إلى ذلك، افترضنا وجود 100 جزيء من البولي يوريثان، وستؤثر قوى التفاعل بين هذه الجزيئات المئة على المقاومة الحرارية لهذه الأسطوانة الصغيرة، مثل الروابط الهيدروجينية الفيزيائية، على الرغم من أنها ليست بقوة الروابط الكيميائية، إلا أن العدد N كبير، والسلوك الواضح للرابطة الهيدروجينية الجزيئية الأكبر نسبيًا يمكن أن يقلل من درجة عدم الانتظام أو يقيد نطاق حركة كل جزيء من البولي يوريثان، لذا فإن الرابطة الهيدروجينية مفيدة لتحسين المقاومة الحرارية.