Polyuretanový močovinový elastomer - Polyurethane urea elastomer

The polyurethanový močovinový elastomer (PUU), nebo poly (urethan-močovina) elastomer, je flexibilní polymerní materiál který se skládá z vazeb vytvořených z polyuretan a polymočovina sloučeniny. Díky svým hyperelastickým vlastnostem je schopen odrážet vysokorychlostní balistické střely, jako by materiál při nárazu „tvrdl“. PUU byly vyvinuty vědci z US Army Research Laboratory (ARL) a Army's Institute for Soldier Nanotechnology at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) potenciálně nahradit polyethylen materiály v brnění a další ochranné pomůcky, jako např bojové přilby, obličejové štíty, a balistické vesty.[1]

Složení

Obecně se PUU skládají z tvrdých i měkkých segmentů, z nichž každý hraje roli ve fyzikálních vlastnostech materiálu. Měkké segmenty se skládají ze dvou typů chemických sloučenin, dlouhého řetězce polyoly a diisokyanáty, které reagují a spojují se uretanovými vazbami. Na druhé straně krátký řetězec diaminy reagovat s diisokyanáty k vytvoření tvrdých segmentů, které jsou drženy pohromadě močovinovými vazbami. Mechanické vlastnosti PUU do značné míry závisí na konkrétních diisokyanátech, polyolech s dlouhým řetězcem a diaminech s krátkým řetězcem, protože to, jak dobře tyto měkké i tvrdé segmenty elastomerů ovlivňují krystalizovat a podstoupit mikrofázová separace. Ve výsledku se ukázalo, že variace v tomto molekulárním uspořádání chemických sloučenin výrazně ovlivňují morfologii elastomeru a makroskopické mechanické vlastnosti, které vykazuje.[2][3]

Hyperelastické chování

V roce 2017 uvedli vědci z Army Research Laboratory a MIT, že PUU jsou schopné prokázat hyperelastické vlastnosti, což znamená, že materiál se extrémně ztvrdne při deformaci ve velmi krátké době. Výsledkem je, že materiál vydrží balistické nárazy při výjimečně vysokých rychlostech.[4]

Pro tuto studii vědci zkoumali účinnost různých variant PUU, kde 4,4’-dicyklohexylmethan-diisokyanát (HMDI ) byl zvolen jako diisokyanátová sloučenina, diethyltoluendiamin (DETA) jako diaminová sloučenina s krátkým řetězcem a poly (tetramethylenoxid) (PTMO) byl zvolen jako polyolová sloučenina s dlouhým řetězcem. Přesto se skládá ze stejných chemických sloučenin se stejnými stechiometrický poměr 2: 1: 1 z [HDMI]: [DETA]: [PTMO], vzorky se lišily ohledně molekulární váha jejich příslušné složky PTMO, konkrétně 650 g / mol, 1000 g / mol a 2000 g / mol, pro měkké segmenty elastomerů.[5]

Každý ze tří vzorků byl podroben laserově indukovanému testu dopadu střely (LIPIT), který testoval dynamickou odezvu materiálu pomocí pulzního laseru k jeho vystřelení mikročástice vyroben z oxid křemičitý při rychlostech od 200 m / s do 800 m / s.[5][6] Vědci zjistili, že vzorek s PTMO o hmotnosti 650 g / mol byl nejpřísnější variantou s částicemi, které vykazovaly mělkou penetraci asi 4 mikrometry při nárazu, přestože se pohybovaly rychlostí 790 m / s před odrazem rychlostí 195 m / s. Naproti tomu vzorek s 2 000 g / mol PTMO vykazoval hlubší penetraci asi 9 mikrometrů, ale měl pomalejší odskok částic 80 m / s, což z něj činí nejvíce podobný kaučuku mezi vzorky PUU. The deformační rychlosti spojené s těmito dopady byly řádově 2,0 x 10 ^ 8 / s pro první a 8,1 x 10 ^ 7 / s pro druhou.[5]

Všechny tři varianty PUU však prokázaly schopnost odskoku bez známek poškození po porážce po dopadu z mikročástic. Naproti tomu, když byl LIPIT proveden na tvárném, sklovitém polykarbonát při podobných rychlostech jako u varianty PTMO PUU 650 g / mol vykazoval polykarbonát při nárazu převládající deformaci lomová houževnatost a balistická síla.[5][7] Podle vědců může účinnost PUU pocházet z toho, jak molekuly „rezonují“ podobně řetězová pošta při nárazu každou oscilací při určitých frekvencích rozptýlí absorbovanou energii. Pro srovnání postrádal polykarbonát širokou škálu relaxační časy, charakteristika, která odráží, jak účinně reagují molekuly v polymerních řetězcích na externí impuls, o kterém je známo, že mají PUU.[7] Výsledkem bylo, že vědci dospěli k závěru, že i ta nejvíce gumová varianta PUU, konkrétně vzorek PTMO o hmotnosti 2 000 g / mol, vykazovala větší robustnost a dynamické vyztužení než skelný polykarbonát.[5]

Vědci z ARL uvedli, že primární výhoda PUU nepochází z její extra síly, ale z její pružnosti podobné látce, což dokazuje její potenciál jako náhradního materiálu pro tuhé keramické a kovové desky, které se obvykle nacházejí ve vojenských bojových zbrojích. Od roku 2018 je však PUU stále ve fázi testování.[8]

Reference

  1. ^ Owens, Katherine (23. října 2017). „Nový materiál na bázi polyuretanu by mohl znamenat samoztvrdlé, téměř neproniknutelné přilby“. Obranné systémy. Citováno 30. srpna 2018.
  2. ^ Hsieh, Alex; Orlicki, Joshua; Beyer, Rick (březen 2009). „Molekulární design nových hybridů poly (urethan-močovina) jako polštářků přilby pro zmírnění balistických a traumatických účinků“. Výzkumná laboratoř americké armády - prostřednictvím Centra technických informací obrany.
  3. ^ Hsieh, Alex; Sarva, Sai; Rice, Norman (září 2009). „Vylepšené dynamické zpevnění kmene v poly (uretanových močovinách) elastomerech pro aplikace transparentního brnění“. Výzkumná laboratoř americké armády.
  4. ^ „PUU se zdají být náchylné k ochraně vojáků a vozidel“. Materiály AZO. 11. října 2017. Citováno 30. srpna 2018.
  5. ^ A b C d E Veysset, David; Hsieh, Alex; Kooi, Steven; Nelson, Keith (27. června 2017). "Molekulární vliv na rázovou reakci mikročástic s vysokou deformací poly (urethan-močoviny) elastomerů". Polymer. 123: 30–38. doi:10.1016 / j.polymer.2017.06.071. hdl:1721.1/123990.
  6. ^ Mraz, Stephen (20. listopadu 2017). „Armáda vyšetřuje nové, tvrdší materiály pro přilby“. Konstrukce stroje. Citováno 30. srpna 2018.
  7. ^ A b „Armáda nalézá příslib odolného materiálu pro budoucí bojové přilby vojáků“. americká armáda. 11. října 2017. Citováno 30. srpna 2018.
  8. ^ Keller, Jared (11. října 2017). „Další zbroj těla může být silnější, čím těžší je zásah“. Úkol a účel. Citováno 30. srpna 2018.