Τι είναι το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης;

Τι είναι το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης;

Το ελαστομερές πολυουρεθάνης είναι μια ποικιλία συνθετικών υλικών πολυουρεθάνης (άλλες ποικιλίες αναφέρονται σε αφρό πολυουρεθάνης, κόλλα πολυουρεθάνης, επίστρωση πολυουρεθάνης και ίνες πολυουρεθάνης) και το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης είναι ένας από τους τρεις τύπους ελαστομερούς πολυουρεθάνης. Οι άνθρωποι συνήθως το αναφέρουν ως TPU (οι άλλοι δύο κύριοι τύποι ελαστομερών πολυουρεθάνης είναι τα χυτά ελαστομερή πολυουρεθάνης, συντομογραφικά CPU, και τα μικτά ελαστομερή πολυουρεθάνης, συντομογραφικά MPU).

Η TPU είναι ένα είδος ελαστομερούς πολυουρεθάνης που μπορεί να πλαστικοποιηθεί με θέρμανση και να διαλυθεί με διαλύτη. Σε σύγκριση με την CPU και την MPU, η TPU έχει ελάχιστη ή καθόλου χημική διασύνδεση στη χημική της δομή. Η μοριακή της αλυσίδα είναι βασικά γραμμική, αλλά υπάρχει μια ορισμένη ποσότητα φυσικής διασύνδεσης. Αυτό είναι το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης που έχει πολύ χαρακτηριστική δομή.

Δομή και ταξινόμηση της TPU

Το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης είναι ένα γραμμικό πολυμερές (AB) σε μορφή μπλοκ. Το Α αντιπροσωπεύει μια πολυμερή πολυόλη (εστέρα ή πολυαιθέρα, μοριακού βάρους 1000~6000) με υψηλό μοριακό βάρος, που ονομάζεται μακρά αλυσίδα. Το Β αντιπροσωπεύει μια διόλη που περιέχει 2-12 άτομα άνθρακα ευθείας αλυσίδας, που ονομάζεται βραχεία αλυσίδα.

Στη δομή του θερμοπλαστικού ελαστομερούς πολυουρεθάνης, το τμήμα Α ονομάζεται μαλακό τμήμα, το οποίο έχει τα χαρακτηριστικά ευκαμψίας και απαλότητας, καθιστώντας την TPU εκτατή. Η αλυσίδα ουρεθάνης που παράγεται από την αντίδραση μεταξύ του τμήματος Β και του ισοκυανικού ονομάζεται σκληρό τμήμα, το οποίο έχει τόσο άκαμπτες όσο και σκληρές ιδιότητες. Ρυθμίζοντας την αναλογία των τμημάτων Α και Β, κατασκευάζονται προϊόντα TPU με διαφορετικές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες.

Σύμφωνα με τη δομή του μαλακού τμήματος, μπορεί να χωριστεί σε τύπο πολυεστέρα, τύπο πολυαιθέρα και τύπο βουταδιενίου, οι οποίοι περιέχουν αντίστοιχα εστερομάδα, αιθερομάδα ή βουτενομάδα. Σύμφωνα με τη δομή του σκληρού τμήματος, μπορεί να χωριστεί σε τύπο ουρεθάνης και τύπο ουρεθάνης ουρίας, οι οποίοι λαμβάνονται αντίστοιχα από επεκτατές αλυσίδας αιθυλενογλυκόλης ή επεκτατές αλυσίδας διαμίνης. Η κοινή ταξινόμηση χωρίζεται σε τύπο πολυεστέρα και τύπο πολυαιθέρα.

Ποιες είναι οι πρώτες ύλες για τη σύνθεση TPU;

(1) Πολυμερική Διόλη

Η μακρομοριακή διόλη με μοριακό βάρος που κυμαίνεται από 500 έως 4000 και διλειτουργικές ομάδες, με περιεκτικότητα από 50% έως 80% στο ελαστομερές TPU, παίζει καθοριστικό ρόλο στις φυσικές και χημικές ιδιότητες της TPU.

Το πολυμερές Diol που είναι κατάλληλο για ελαστομερές TPU μπορεί να χωριστεί σε πολυεστέρα και πολυαιθέρα: ο πολυεστέρας περιλαμβάνει πολυτετραμεθυλενογλυκόλη αδιπικού οξέος (PBA) ε PCL, PHC. Οι πολυαιθέρες περιλαμβάνουν πολυοξυπροπυλενοαιθερογλυκόλη (PPG), τετραϋδροφουρανοπολυαιθερογλυκόλη (PTMG) κ.λπ.

(2) Διισοκυανικό

Το μοριακό βάρος είναι μικρό, αλλά η λειτουργία είναι εξαιρετική, η οποία όχι μόνο παίζει τον ρόλο της σύνδεσης του μαλακού και του σκληρού τμήματος, αλλά και προσδίδει στην TPU διάφορες καλές φυσικές και μηχανικές ιδιότητες. Τα διισοκυανικά που εφαρμόζονται στην TPU είναι: διισοκυανικό μεθυλενοδιφαινύλιο (MDI), δι(-4-κυκλοεξυλισοκυανικό) μεθυλένιο (HMDI), p-φαινυλδιισοκυανικό (PPDI), διισοκυανικό 1,5-ναφθαλένιο (NDI), διισοκυανικό p-φαινυλδιμεθυλίου (PXDI), κ.λπ.

(3) Επέκταση αλυσίδας

Ο επεκτατής αλυσίδας με μοριακό βάρος 100~350, που ανήκει σε μικρή μοριακή διόλη, μικρό μοριακό βάρος, ανοιχτή δομή αλυσίδας και καμία ομάδα υποκαταστάτη, ευνοεί την επίτευξη υψηλής σκληρότητας και υψηλού βαθμωτού βάρους TPU. Οι επεκτατές αλυσίδας που είναι κατάλληλοι για TPU περιλαμβάνουν 1,4-βουτανοδιόλη (BDO), 1,4-δις (2-υδροξυαιθοξυ) βενζόλιο (HQEE), 1,4-κυκλοεξανοδιμεθανόλη (CHDM), p-φαινυλοδιμεθυλογλυκόλη (PXG) κ.λπ.

Εφαρμογή τροποποίησης TPU ως παράγοντα σκλήρυνσης

Προκειμένου να μειωθεί το κόστος των προϊόντων και να επιτευχθεί πρόσθετη απόδοση, τα θερμοπλαστικά ελαστομερή πολυουρεθάνης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως συνήθως χρησιμοποιούμενα μέσα σκλήρυνσης για την σκλήρυνση διαφόρων θερμοπλαστικών και τροποποιημένων ελαστικών υλικών.

Λόγω της υψηλής πολικότητάς της, η πολυουρεθάνη μπορεί να είναι συμβατή με πολικές ρητίνες ή καουτσούκ, όπως το χλωριωμένο πολυαιθυλένιο (CPE), τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή ιατρικών προϊόντων. Η ανάμειξη με ABS μπορεί να αντικαταστήσει τα θερμοπλαστικά μηχανικής χρήσης. Όταν χρησιμοποιείται σε συνδυασμό με πολυανθρακικό (PC), έχει ιδιότητες όπως αντοχή στο λάδι, την αντοχή στο καύσιμο και την αντοχή στις κρούσεις, και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή αμαξωμάτων αυτοκινήτων. Όταν συνδυάζεται με πολυεστέρα, η σκληρότητά της μπορεί να βελτιωθεί. Επιπλέον, μπορεί να είναι καλά συμβατή με PVC, πολυοξυμεθυλένιο ή PVDC. Η πολυουρεθάνη πολυεστέρα μπορεί να είναι καλά συμβατή με 15% καουτσούκ νιτριλίου ή 40% μείγμα καουτσούκ νιτριλίου/PVC. Η πολυαιθερική πολυουρεθάνη μπορεί επίσης να είναι καλά συμβατή με κόλλα μείγματος καουτσούκ νιτριλίου/πολυβινυλοχλωριδίου 40%. Μπορεί επίσης να είναι συμβατή με συμπολυμερή ακρυλονιτριλίου στυρενίου (SAN). Μπορεί να σχηματίσει δομές διαπερατού δικτύου (IPN) με δραστικές πολυσιλοξάνες. Η συντριπτική πλειοψηφία των προαναφερθέντων μικτών κολλών έχει ήδη παραχθεί επίσημα.

Τα τελευταία χρόνια, στην Κίνα, υπάρχει αυξανόμενη έρευνα σχετικά με την σκλήρυνση του POM με TPU. Η ανάμειξη TPU και POM όχι μόνο βελτιώνει την αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες και τις μηχανικές ιδιότητες του TPU, αλλά και σκληραίνει σημαντικά το POM. Μερικοί ερευνητές έχουν δείξει ότι σε δοκιμές εφελκυσμού, σε σύγκριση με τη μήτρα POM, το κράμα POM με TPU έχει μεταβεί από εύθραυστη θραύση σε όλκιμη θραύση. Η προσθήκη TPU προσδίδει επίσης στο POM απόδοση μνήμης σχήματος. Η κρυσταλλική περιοχή του POM χρησιμεύει ως η σταθερή φάση του κράματος μνήμης σχήματος, ενώ η άμορφη περιοχή του άμορφου TPU και του POM χρησιμεύει ως η αναστρέψιμη φάση. Όταν η θερμοκρασία απόκρισης ανάκτησης είναι 165 ℃ και ο χρόνος ανάκτησης είναι 120 δευτερόλεπτα, ο ρυθμός ανάκτησης του κράματος φτάνει πάνω από 95% και το αποτέλεσμα ανάκτησης είναι το καλύτερο.

Η TPU είναι δύσκολο να είναι συμβατή με μη πολικά πολυμερή υλικά όπως πολυαιθυλένιο, πολυπροπυλένιο, καουτσούκ αιθυλενίου-προπυλενίου, καουτσούκ βουταδιενίου, καουτσούκ ισοπρενίου ή σκόνη από καουτσούκ απόβλητα και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή σύνθετων υλικών με καλή απόδοση. Επομένως, για τα τελευταία χρησιμοποιούνται συχνά μέθοδοι επιφανειακής επεξεργασίας όπως πλάσμα, κορώνα, υγρή χημεία, αστάρι, φλόγα ή αντιδραστικό αέριο. Για παράδειγμα, η American Air Products and Chemicals Company έχει πραγματοποιήσει επιφανειακή επεξεργασία με ενεργό αέριο F2/O2 σε λεπτή σκόνη πολυαιθυλενίου εξαιρετικά υψηλού μοριακού βάρους με μοριακό βάρος 3-5 εκατομμύρια και την έχει προσθέσει σε ελαστομερές πολυουρεθάνης σε αναλογία 10%, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει σημαντικά το μέτρο κάμψης, την αντοχή σε εφελκυσμό και την αντοχή στη φθορά. Και η επιφανειακή επεξεργασία με ενεργό αέριο F2/O2 μπορεί επίσης να εφαρμοστεί στις κατευθυντικά επιμήκεις κοντές ίνες μήκους 6-35 mm, γεγονός που μπορεί να βελτιώσει την ακαμψία και την αντοχή στο σχίσιμο του σύνθετου υλικού.

Ποιες είναι οι περιοχές εφαρμογής της TPU;

Το 1958, η Goodrich Chemical Company (τώρα μετονομασμένη σε Lubrizol) κατοχύρωσε για πρώτη φορά την επωνυμία TPU Estane. Τα τελευταία 40 χρόνια, έχουν υπάρξει περισσότερες από 20 επωνυμίες σε όλο τον κόσμο και κάθε μάρκα έχει αρκετές σειρές προϊόντων. Σήμερα, οι κύριοι κατασκευαστές πρώτων υλών TPU στον κόσμο είναι: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding, κ.λπ.

Ως εξαιρετικό ελαστομερές, η TPU διαθέτει μια ευρεία γκάμα προϊόντων, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως σε είδη καθημερινής χρήσης, αθλητικά είδη, παιχνίδια, διακοσμητικά υλικά και άλλους τομείς. Παρακάτω παρατίθενται μερικά παραδείγματα.

① Υλικά παπουτσιών

Η TPU χρησιμοποιείται κυρίως για υλικά υποδημάτων λόγω της εξαιρετικής ελαστικότητάς της και της αντοχής στη φθορά. Τα προϊόντα υποδημάτων που περιέχουν TPU είναι πολύ πιο άνετα στη χρήση από τα κανονικά προϊόντα υποδημάτων, επομένως χρησιμοποιούνται ευρύτερα σε προϊόντα υποδημάτων υψηλής ποιότητας, ειδικά σε ορισμένα αθλητικά παπούτσια και casual παπούτσια.

② Σωλήνες

Λόγω της απαλότητάς τους, της καλής αντοχής σε εφελκυσμό, της αντοχής σε κρούση και της αντοχής τους σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες, οι σωλήνες TPU χρησιμοποιούνται ευρέως στην Κίνα ως σωλήνες αερίου και λαδιού για μηχανολογικό εξοπλισμό όπως αεροσκάφη, άρματα μάχης, αυτοκίνητα, μοτοσικλέτες και εργαλειομηχανές.

③ Καλώδιο

Η TPU παρέχει αντοχή στο σκίσιμο, την αντοχή στη φθορά και τα χαρακτηριστικά κάμψης, με την αντοχή σε υψηλές και χαμηλές θερμοκρασίες να αποτελεί το κλειδί για την απόδοση των καλωδίων. Έτσι, στην κινεζική αγορά, τα προηγμένα καλώδια, όπως τα καλώδια ελέγχου και τα καλώδια τροφοδοσίας, χρησιμοποιούν TPU για την προστασία των υλικών επίστρωσης σύνθετων σχεδίων καλωδίων και οι εφαρμογές τους γίνονται ολοένα και πιο διαδεδομένες.

④ Ιατρικές συσκευές

Η TPU είναι ένα ασφαλές, σταθερό και υψηλής ποιότητας υλικό υποκατάστασης PVC, το οποίο δεν περιέχει φθαλικές ενώσεις και άλλες χημικά επιβλαβείς ουσίες και θα μεταναστεύσει στο αίμα ή σε άλλα υγρά στον ιατρικό καθετήρα ή την ιατρική τσάντα προκαλώντας παρενέργειες. Επιπλέον, η ειδικά σχεδιασμένη TPU βαθμού εξώθησης και βαθμού έγχυσης μπορεί εύκολα να χρησιμοποιηθεί με λίγη διόρθωση στον υπάρχοντα εξοπλισμό PVC.

⑤ Οχήματα και άλλα μέσα μεταφοράς

Με την εξώθηση και την επικάλυψη και των δύο πλευρών του νάιλον υφάσματος με θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης, μπορούν να κατασκευαστούν φουσκωτές λέμβοι μάχης και λέμβοι αναγνώρισης που μεταφέρουν 3-15 άτομα, με πολύ καλύτερη απόδοση από τις φουσκωτές λέμβους από βουλκανισμένο καουτσούκ. Το θερμοπλαστικό ελαστομερές πολυουρεθάνης ενισχυμένο με ίνες γυαλιού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή εξαρτημάτων αμαξώματος, όπως χυτευμένα μέρη και στις δύο πλευρές του ίδιου του αυτοκινήτου, επενδύσεις θυρών, προφυλακτήρες, ταινίες αντιτριβής και γρίλιες.