Co je termoplastický polyuretanový elastomer?

Co je termoplastický polyuretanový elastomer?

Polyuretanový elastomer je druh polyuretanového syntetického materiálu (další varianty zahrnují polyuretanovou pěnu, polyuretanové lepidlo, polyuretanový povlak a polyuretanová vlákna) a termoplastický polyuretanový elastomer je jedním ze tří typů polyuretanového elastomeru. Lidé jej běžně označují jako TPU (další dva hlavní typy polyuretanových elastomerů jsou lité polyuretanové elastomery, zkráceně CPU, a směsné polyuretanové elastomery, zkráceně MPU).

TPU je druh polyuretanového elastomeru, který lze změkčit zahříváním a rozpustit rozpouštědlem. Ve srovnání s CPU a MPU má TPU ve své chemické struktuře málo nebo žádné chemické zesítění. Jeho molekulární řetězec je v podstatě lineární, ale existuje určité množství fyzického zesítění. Jedná se o termoplastický polyuretanový elastomer s velmi charakteristickou strukturou.

Struktura a klasifikace TPU

Termoplastický polyuretanový elastomer je (AB) blokový lineární polymer. A představuje polymerní polyol (ester nebo polyether, molekulová hmotnost 1000~6000) s vysokou molekulovou hmotností, nazývaný dlouhý řetězec; B představuje diol obsahující 2-12 atomů uhlíku s přímým řetězcem, nazývaný krátký řetězec.

Ve struktuře termoplastického polyuretanového elastomeru se segment A nazývá měkký segment, který se vyznačuje flexibilitou a měkkostí, díky čemuž má TPU roztažitelnost; uretanový řetězec vzniklý reakcí mezi segmentem B a isokyanátem se nazývá tvrdý segment a má jak tuhé, tak tvrdé vlastnosti. Úpravou poměru segmentů A a B se vyrábějí TPU produkty s různými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi.

Podle struktury měkkých segmentů se dělí na polyesterový typ, polyetherový typ a butadienový typ, které obsahují esterovou skupinu, etherovou skupinu nebo butenovou skupinu. Podle struktury tvrdých segmentů se dělí na urethanový typ a urethan-močovinový typ, které se získávají z ethylenglykolových nebo diaminových prodlužovačů řetězce. Běžná klasifikace se dělí na polyesterový typ a polyetherový typ.

Jaké jsou suroviny pro syntézu TPU?

(1) Polymerní diol

Makromolekulární diol s molekulovou hmotností v rozmezí od 500 do 4000 a bifunkčními skupinami, s obsahem 50 % až 80 % v elastomeru TPU, hraje rozhodující roli ve fyzikálních a chemických vlastnostech TPU.

Polymerní diol vhodný pro TPU elastomer lze rozdělit na polyester a polyether: mezi polyestery patří polytetramethylenglykol kyseliny adipové (PBA), ε PCL, PHC; mezi polyethery patří polyoxypropylenetherglykol (PPG), tetrahydrofuranpolyetherglykol (PTMG) atd.

(2) Diisokyanát

Molekulová hmotnost je malá, ale funkce je vynikající, nejenže hraje roli spojení měkkého a tvrdého segmentu, ale také propůjčuje TPU různé dobré fyzikální a mechanické vlastnosti. Diisokyanáty použitelné pro TPU jsou: methylendifenyldiisokyanát (MDI), methylenbis(-4-cyklohexylisokyanát) (HMDI), p-fenyldiisokyanát (PPDI), 1,5-naftalendiisokyanát (NDI), p-fenyldimethyldiisokyanát (PXDI) atd.

(3) Prodlužovač řetězu

Prodlužovač řetězce s molekulovou hmotností 100~350, patřící do nízkomolekulární skupiny diolů, s malou molekulovou hmotností, otevřenou strukturou řetězce a bez substituentů, přispívá k dosažení vysoké tvrdosti a vysoké skalární hmotnosti TPU. Mezi prodlužovače řetězce vhodné pro TPU patří 1,4-butandiol (BDO), 1,4-bis(2-hydroxyethoxy)benzen (HQEE), 1,4-cyklohexandimethanol (CHDM), p-fenyldimethylglykol (PXG) atd.

Modifikační aplikace TPU jako zpevňujícího prostředku

Aby se snížily náklady na výrobek a dosáhlo se vyššího výkonu, lze polyuretanové termoplastické elastomery použít jako běžně používaná zpevňovací činidla pro zpevňování různých termoplastických a modifikovaných pryžových materiálů.

Díky své vysoké polaritě může být polyuretan kompatibilní s polárními pryskyřicemi nebo kaučuky, jako je chlorovaný polyethylen (CPE), které lze použít k výrobě zdravotnických produktů; smícháním s ABS může nahradit technické termoplasty; při použití v kombinaci s polykarbonátem (PC) má vlastnosti, jako je odolnost vůči olejům, odolnost vůči palivům a odolnost proti nárazu, a lze jej použít k výrobě karoserií automobilů; v kombinaci s polyesterem lze zlepšit jeho houževnatost; navíc může být dobře kompatibilní s PVC, polyoxymethylenem nebo PVDC; polyesterový polyuretan může být dobře kompatibilní s 15% nitrilovým kaučukem nebo 40% směsí nitrilového kaučuku/PVC; polyetherový polyuretan může být také dobře kompatibilní se směsným lepidlem 40% nitrilového kaučuku/polyvinylchloridu; může být také kompatibilní s kopolymery akrylonitril-styrenu (SAN); může tvořit struktury interpenetrující sítě (IPN) s reaktivními polysiloxany. Velká většina výše zmíněných směsných lepidel již byla oficiálně vyrobena.

V posledních letech se v Číně rozšířil výzkum zaměřený na zpevňování POM pomocí TPU. Smíchání TPU a POM nejen zlepšuje odolnost TPU vůči vysokým teplotám a mechanické vlastnosti, ale také výrazně zpevňuje POM. Někteří výzkumníci prokázali, že v testech lomu v tahu, ve srovnání s matricí POM, přechází slitina POM s TPU z křehkého lomu do tvárného lomu. Přidání TPU také propůjčuje POM tvarovou paměť. Krystalická oblast POM slouží jako fixní fáze slitiny s tvarovou pamětí, zatímco amorfní oblast amorfního TPU a POM slouží jako reverzibilní fáze. Při teplotě zotavení 165 °C a době zotavení 120 sekund dosahuje míra zotavení slitiny více než 95 % a efekt zotavení je nejlepší.

TPU je obtížně kompatibilní s nepolárními polymerními materiály, jako je polyethylen, polypropylen, ethylenpropylenový kaučuk, butadienový kaučuk, isoprenový kaučuk nebo odpadní kaučukový prášek, a nelze jej použít k výrobě kompozitů s dobrými vlastnostmi. Proto se pro tyto účely často používají metody povrchové úpravy, jako je plazma, koróna, mokrá chemie, primer, plamen nebo reaktivní plyn. Například společnost American Air Products and Chemicals Company provedla povrchovou úpravu aktivním plynem F2/O2 na jemném prášku polyethylenu s ultravysokou molekulovou hmotností o molekulové hmotnosti 3-5 milionů a přidala jej do polyuretanového elastomeru v poměru 10 %, což může výrazně zlepšit jeho modul pružnosti v ohybu, pevnost v tahu a odolnost proti opotřebení. Povrchovou úpravu aktivním plynem F2/O2 lze také aplikovat na směrově protáhlá krátká vlákna o délce 6-35 mm, což může zlepšit tuhost a houževnatost kompozitního materiálu.

Jaké jsou oblasti použití TPU?

V roce 1958 společnost Goodrich Chemical Company (nyní přejmenovaná na Lubrizol) poprvé zaregistrovala značku TPU Estane. Během uplynulých 40 let se po celém světě objevilo více než 20 značek a každá značka má několik produktových řad. V současné době jsou hlavními světovými výrobci surovin pro TPU: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding atd.

Jako vynikající elastomer se TPU používá v široké škále navazujících produktů, které se široce používají v předmětech denní potřeby, sportovním zboží, hračkách, dekorativních materiálech a dalších oblastech. Níže uvádíme několik příkladů.

① Materiály obuvi

TPU se používá hlavně na výrobu obuvi díky své vynikající elasticitě a odolnosti proti opotřebení. Obuvní výrobky obsahující TPU jsou mnohem pohodlnější na nošení než běžná obuv, proto se častěji používají v luxusní obuvi, zejména v některých sportovních a běžeckých botách.

② Hadice

Díky své měkkosti, dobré pevnosti v tahu, rázové houževnatosti a odolnosti vůči vysokým i nízkým teplotám se hadice TPU v Číně široce používají jako plynové a olejové hadice pro mechanická zařízení, jako jsou letadla, tanky, automobily, motocykly a obráběcí stroje.

③ Kabel

TPU poskytuje odolnost proti roztržení, opotřebení a ohybu, přičemž klíčem k výkonu kabelu je odolnost vůči vysokým a nízkým teplotám. Na čínském trhu se proto u pokročilých kabelů, jako jsou ovládací a silové kabely, používá TPU k ochraně povrchových materiálů složitých kabelových konstrukcí a jejich aplikace se stále více rozšiřují.

④ Zdravotnické prostředky

TPU je bezpečný, stabilní a vysoce kvalitní náhradní materiál PVC, který neobsahuje ftaláty ani jiné chemické škodlivé látky a migruje do krve nebo jiných tekutin v lékařském katétru nebo lékařském sáčku, což může způsobit vedlejší účinky. Speciálně vyvinutý TPU extruzní a vstřikovací kvality lze navíc s trochou ladění snadno použít ve stávajícím PVC zařízení.

⑤ Vozidla a jiné dopravní prostředky

Vytlačováním a potahováním obou stran nylonové tkaniny polyuretanovým termoplastickým elastomerem lze vyrobit nafukovací bojové útočné vory a průzkumné vory pro 3–15 osob, které mají mnohem lepší výkon než nafukovací vory z vulkanizované gumy; Polyuretanový termoplastický elastomer vyztužený skleněnými vlákny lze použít k výrobě karosářských součástí, jako jsou lisované díly na obou stranách samotného vozu, kryty dveří, nárazníky, antifrikční lišty a mřížky.