Czym jest termoplastyczny elastomer poliuretanowy?

Czym jest termoplastyczny elastomer poliuretanowy?

Elastomer poliuretanowy to odmiana syntetycznego materiału poliuretanowego (inne odmiany to pianka poliuretanowa, klej poliuretanowy, powłoka poliuretanowa i włókno poliuretanowe). Termoplastyczny elastomer poliuretanowy to jeden z trzech rodzajów elastomeru poliuretanowego. Ludzie powszechnie nazywają go TPU (pozostałe dwa główne rodzaje elastomerów poliuretanowych to odlewane elastomery poliuretanowe, w skrócie CPU, oraz mieszane elastomery poliuretanowe, w skrócie MPU).

TPU to rodzaj elastomeru poliuretanowego, który można uplastycznić poprzez ogrzewanie i rozpuścić w rozpuszczalniku. W porównaniu z CPU i MPU, TPU charakteryzuje się niewielkim lub zerowym usieciowaniem chemicznym w swojej strukturze chemicznej. Jego łańcuch cząsteczkowy jest zasadniczo liniowy, ale występuje w nim pewien stopień usieciowania fizycznego. Jest to termoplastyczny elastomer poliuretanowy o bardzo charakterystycznej strukturze.

Struktura i klasyfikacja TPU

Termoplastyczny elastomer poliuretanowy to liniowy polimer blokowy (AB). A oznacza polimeropoliol (ester lub polieter o masie cząsteczkowej 1000–6000) o wysokiej masie cząsteczkowej, zwany długołańcuchowym; B oznacza diol zawierający 2–12 atomów węgla w łańcuchu prostym, zwany krótkołańcuchowym.

W strukturze termoplastycznego elastomeru poliuretanowego segment A nazywany jest segmentem miękkim, który charakteryzuje się elastycznością i miękkością, dzięki czemu TPU charakteryzuje się rozciągliwością. Łańcuch uretanowy powstający w wyniku reakcji segmentu B z izocyjanianem nazywany jest segmentem twardym, który charakteryzuje się zarówno sztywnością, jak i twardością. Poprzez dostosowanie proporcji segmentów A i B, powstają produkty TPU o różnych właściwościach fizycznych i mechanicznych.

Ze względu na strukturę segmentu miękkiego, można je podzielić na poliestrowe, polieterowe i butadienowe, które zawierają odpowiednio grupę estrową, eterową lub butenową. Ze względu na strukturę segmentu twardego, można je podzielić na uretanowe i uretanowo-mocznikowe, które są otrzymywane odpowiednio z przedłużaczy łańcucha glikolu etylenowego lub przedłużaczy łańcucha diaminowego. Powszechna klasyfikacja dzieli się na poliestrowe i polieterowe.

Jakie są surowce do syntezy TPU?

(1) Polimer diolowy

Diol makrocząsteczkowy o masie cząsteczkowej od 500 do 4000 i grupach bifunkcyjnych, których zawartość w elastomerze TPU wynosi od 50% do 80%, odgrywa decydującą rolę w fizycznych i chemicznych właściwościach TPU.

Polimer diol odpowiedni do elastomerów TPU można podzielić na poliester i polieter: poliester obejmuje politetrametylen, glikol kwasu adypinowego (PBA) ε PCL, PHC; polietery obejmują polioksypropylenowy eter glikolu (PPG), tetrahydrofuranowy polieter glikolu (PTMG) itp.

(2) Diizocyjanian

Masa cząsteczkowa jest niewielka, ale pełni on wyjątkową funkcję, która nie tylko łączy segment miękki z twardym, ale także nadaje TPU szereg dobrych właściwości fizycznych i mechanicznych. Diizocyjaniany stosowane w TPU to: metylenodifenylodiizocyjanian (MDI), metylenobis(-4-cykloheksyloizocyjanian) (HMDI), p-fenylodiizocyjanian (PPDI), 1,5-naftalenodiizocyjanian (NDI), p-fenylodimetylodiizocyjanian (PXDI) itp.

(3) Przedłużacz łańcucha

Przedłużacz łańcucha o masie cząsteczkowej 100–350, należący do dioli małocząsteczkowych, o małej masie cząsteczkowej, otwartej strukturze łańcucha i bez grupy podstawnikowej, sprzyja uzyskaniu wysokiej twardości i dużej masy skalarnej TPU. Przedłużacze łańcucha odpowiednie dla TPU to m.in. 1,4-butanodiol (BDO), 1,4-bis(2-hydroksyetoksy)benzen (HQEE), 1,4-cykloheksanodimetanol (CHDM), p-fenylodimetyloglikol (PXG).

Modyfikacja zastosowania TPU jako środka wzmacniającego

Aby obniżyć koszty produktu i uzyskać dodatkową wydajność, powszechnie stosowanym środkiem wzmacniającym do utwardzania różnych materiałów termoplastycznych i modyfikowanej gumy może być elastomer termoplastyczny poliuretanowy.

Ze względu na wysoką polarność poliuretan może być kompatybilny z żywicami polarnymi lub gumami, takimi jak chlorowany polietylen (CPE), który może być stosowany do produkcji produktów medycznych; Mieszanie z ABS może zastąpić termoplasty inżynieryjne; W połączeniu z poliwęglanem (PC) ma właściwości takie jak odporność na oleje, paliwo i uderzenia i może być stosowany do produkcji nadwozi samochodowych; W połączeniu z poliestrem może poprawić jego wytrzymałość; Ponadto może być dobrze kompatybilny z PVC, polioksymetylenem lub PVDC; Poliuretan poliestrowy może być dobrze kompatybilny z 15% kauczukiem nitrylowym lub mieszanką 40% kauczuku nitrylowego i PVC; Polieteropoliuretan może być również dobrze kompatybilny z klejem mieszanym 40% kauczuku nitrylowego i polichlorku winylu; Może być również współkompatybilny z kopolimerami akrylonitrylo-styrenu (SAN); Może tworzyć struktury sieci przenikających się (IPN) z reaktywnymi polisiloksanami. Zdecydowana większość wyżej wymienionych klejów mieszanych została już oficjalnie wyprodukowana.

W ostatnich latach w Chinach zintensyfikowano badania nad hartowaniem POM za pomocą TPU. Mieszanie TPU i POM nie tylko poprawia odporność na wysokie temperatury i właściwości mechaniczne TPU, ale także znacząco hartuje POM. Niektórzy badacze wykazali, że w testach wytrzymałości na pękanie przy rozciąganiu, w porównaniu z matrycą POM, stop POM z TPU przeszedł z kruchego pękania w pękanie ciągliwe. Dodatek TPU nadaje również POM właściwości pamięci kształtu. Obszar krystaliczny POM pełni funkcję fazy stałej stopu z pamięcią kształtu, podczas gdy obszar amorficzny amorficznego TPU i POM pełni funkcję fazy odwracalnej. Gdy temperatura reakcji regeneracji wynosi 165°C, a czas regeneracji wynosi 120 sekund, współczynnik regeneracji stopu sięga ponad 95%, a efekt regeneracji jest najlepszy.

TPU trudno jest kompatybilizować z niepolarnymi materiałami polimerowymi, takimi jak polietylen, polipropylen, kauczuk etylenowo-propylenowy, kauczuk butadienowy, kauczuk izoprenowy lub proszek gumy odpadowej, i nie można go stosować do produkcji kompozytów o dobrych parametrach. Dlatego w tym ostatnim przypadku często stosuje się metody obróbki powierzchni, takie jak plazma, korona, chemia mokra, podkład, płomień lub gaz reaktywny. Na przykład, American Air Products and Chemicals Company przeprowadziła obróbkę powierzchniową gazem aktywnym F2/O2 na drobnocząsteczkowym proszku polietylenu o ultrawysokiej masie cząsteczkowej 3-5 milionów i dodała go do elastomeru poliuretanowego w stosunku 10%, co może znacznie poprawić jego moduł zginania, wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zużycie. Obróbkę powierzchni gazem aktywnym F2/O2 można również zastosować do kierunkowo wydłużonych krótkich włókien o długości 6-35 mm, co może poprawić sztywność i wytrzymałość na rozdarcie materiału kompozytowego.

Jakie są obszary zastosowań TPU?

W 1958 roku firma Goodrich Chemical Company (obecnie Lubrizol) po raz pierwszy zarejestrowała markę TPU Estane. W ciągu ostatnich 40 lat na świecie istniało ponad 20 marek, a każda z nich oferowała kilka serii produktów. Obecnie głównymi producentami surowców TPU na świecie są: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding itp.

Jako doskonały elastomer, TPU oferuje szeroką gamę produktów do dalszego przetwarzania, które są szeroko stosowane w artykułach codziennego użytku, sprzęcie sportowym, zabawkach, materiałach dekoracyjnych i innych dziedzinach. Poniżej znajduje się kilka przykładów.

① Materiały obuwnicze

TPU jest stosowany głównie w materiałach obuwniczych ze względu na doskonałą elastyczność i odporność na zużycie. Obuwie zawierające TPU jest znacznie wygodniejsze w noszeniu niż zwykłe obuwie, dlatego jest szerzej stosowane w produktach z wyższej półki, zwłaszcza w niektórych modelach obuwia sportowego i codziennego.

② Węże

Ze względu na swoją miękkość, dobrą wytrzymałość na rozciąganie, odporność na uderzenia i działanie wysokich i niskich temperatur, węże TPU są szeroko stosowane w Chinach jako węże gazowe i olejowe w sprzęcie mechanicznym, takim jak samoloty, czołgi, samochody, motocykle i obrabiarki.

③ Kabel

TPU zapewnia odporność na rozdarcie, zużycie i zginanie, przy czym kluczem do wydajności kabla jest odporność na wysokie i niskie temperatury. Dlatego na rynku chińskim zaawansowane kable, takie jak kable sterownicze i zasilające, wykorzystują TPU do ochrony powłok kabli o złożonych konstrukcjach, a ich zastosowania stają się coraz powszechniejsze.

④ Urządzenia medyczne

TPU to bezpieczny, stabilny i wysokiej jakości materiał zastępujący PVC, który nie zawiera ftalanów ani innych szkodliwych substancji chemicznych. Może on przedostać się do krwi lub innych płynów w cewniku medycznym lub worku medycznym, powodując skutki uboczne. Co więcej, specjalnie opracowany TPU do wytłaczania i wtrysku można łatwo stosować w istniejącym sprzęcie PVC po przeprowadzeniu niewielkich modyfikacji.

⑤ Pojazdy i inne środki transportu

Dzięki wytłaczaniu i powlekaniu obu stron tkaniny nylonowej termoplastycznym elastomerem poliuretanowym można wytwarzać nadmuchiwane tratwy szturmowe i rozpoznawcze, mieszczące od 3 do 15 osób. Tratwy te charakteryzują się znacznie lepszymi osiągami niż tratwy nadmuchiwane z wulkanizowanej gumy. Termoplastyczny elastomer poliuretanowy wzmocniony włóknem szklanym można stosować do wytwarzania elementów nadwozia, takich jak formowane części po obu stronach samochodu, poszycia drzwi, zderzaki, paski antypoślizgowe i kratki wlotu powietrza.