Mis on termoplastne polüuretaan-elastomeer?

Mis on termoplastne polüuretaan-elastomeer?

Polüuretaan-elastomeer on mitmesugused polüuretaanist sünteetilised materjalid (teised sordid viitavad polüuretaanvahule, polüuretaanliimile, polüuretaankattele ja polüuretaankiule) ning termoplastne polüuretaan-elastomeer on üks kolmest polüuretaan-elastomeeri tüübist. Inimesed nimetavad seda tavaliselt TPU-ks (kaks ülejäänud peamist polüuretaan-elastomeeri tüüpi on valatud polüuretaan-elastomeerid, lühendatult CPU, ja segatud polüuretaan-elastomeerid, lühendatult MPU).

TPU on polüuretaan-elastomeer, mida saab kuumutamise teel plastifitseerida ja lahustiga lahustada. Võrreldes CPU ja MPU-ga on TPU keemilises struktuuris vähe või üldse mitte keemilisi ristsidemeid. Selle molekulaarne ahel on põhimõtteliselt lineaarne, kuid teatud määral esineb ka füüsikalisi ristsidemeid. See on väga iseloomuliku struktuuriga termoplastne polüuretaan-elastomeer.

TPU struktuur ja klassifikatsioon

Termoplastne polüuretaan-elastomeer on (AB) plokk-lineaarne polümeer. A tähistab suure molekulmassiga polümeerpolüooli (ester või polüeeter, molekulmass 1000–6000), mida nimetatakse pikaks ahelaks; B tähistab 2–12 sirge ahelaga süsinikuaatomit sisaldavat diooli, mida nimetatakse lühikeseks ahelaks.

Termoplastse polüuretaan-elastomeeri struktuuris nimetatakse segmenti A pehmeks segmendiks, millel on paindlikkus ja pehmus, mis muudab TPU venivaks; B-segmendi ja isotsüanaadi vahelise reaktsiooni käigus tekkivat uretaanahelat nimetatakse kõvaks segmendiks, millel on nii jäigad kui ka kõvad omadused. A- ja B-segmentide suhte reguleerimisega saadakse erinevate füüsikaliste ja mehaaniliste omadustega TPU-tooteid.

Pehme segmendi struktuuri järgi saab selle jagada polüester-, polüeeter- ja butadieenitüübiks, mis sisaldavad vastavalt ester-, eeter- või buteenrühma. Kõva segmendi struktuuri järgi saab selle jagada uretaan- ja uretaanuureatüübiks, mis saadakse vastavalt etüleenglükooli ahela pikendajatest või diamiinahela pikendajatest. Üldine klassifikatsioon jaguneb polüester- ja polüeetertüüpi.

Millised on TPU sünteesi toorained?

(1) Polümeerdiool

TPU füüsikalistes ja keemilistes omadustes mängib otsustavat rolli makromolekulaarne diool molekulmassiga vahemikus 500 kuni 4000 ja bifunktsionaalsed rühmad sisaldusega 50–80%.

TPU elastomeeriks sobiva diooli polümeeri võib jagada polüestriks ja polüeetriks: polüester hõlmab polütetrametüleen-adipiinhappe glükooli (PBA) ε PCL-i, PHC-d; polüeetrite hulka kuuluvad polüoksüpropüleen-eeterglükool (PPG), tetrahüdrofuraanpolüeeterglükool (PTMG) jne.

(2) Diisotsüanaat

Molekulaarmass on väike, kuid funktsioon on silmapaistev, mis mitte ainult ei ühenda pehmet ja kõva segmenti, vaid annab TPU-le ka mitmeid häid füüsikalisi ja mehaanilisi omadusi. TPU-s kasutatavad diisotsüanaadid on: metüleendifenüüldiisotsüanaat (MDI), metüleenbis(-4-tsükloheksüülisotsüanaat) (HMDI), p-fenüüldiisotsüanaat (PPDI), 1,5-naftaleendiisotsüanaat (NDI), p-fenüüldimetüüldiisotsüanaat (PXDI) jne.

(3) Keti pikendaja

TPU kõrge kõvaduse ja suure skalaarkaalu saavutamiseks sobib ahela pikendaja, mille molekulmass on 100–350, mis kuulub väikemolekulaarsete dioolide hulka, millel on väike molekulmass, avatud ahela struktuur ja mis ei sisalda asendusrühmi. TPU jaoks sobivad ahela pikendajad on näiteks 1,4-butaandiool (BDO), 1,4-bis(2-hüdroksüetoksü)benseen (HQEE), 1,4-tsükloheksaandimetanool (CHDM), p-fenüüldimetüülglükool (PXG) jne.

TPU modifitseerimine ja kasutamine karastusainena

Tootekulude vähendamiseks ja täiendava jõudluse saavutamiseks saab polüuretaanist termoplastilisi elastomeere kasutada tavaliselt kasutatavate karastusainetena mitmesuguste termoplastsete ja modifitseeritud kummimaterjalide karastamiseks.

Tänu oma kõrgele polaarsusele sobib polüuretaan kokku polaarsete vaikude või kummidega, näiteks klooritud polüetüleeniga (CPE), mida saab kasutada meditsiinitoodete valmistamiseks; ABS-iga segamine võib asendada tehnilisi termoplasti; Polükarbonaadiga (PC) kombineerituna on sellel sellised omadused nagu õlikindlus, kütusekindlus ja löögikindlus ning seda saab kasutada autokere valmistamiseks; Polüestriga kombineerituna saab selle vastupidavust parandada; Lisaks sobib see hästi PVC, polüoksümetüleeni või PVDC-ga; Polüesterpolüuretaan sobib hästi kokku 15% nitriilkummi või 40% nitriilkummi/PVC seguga; Polüeeterpolüuretaan sobib hästi ka 40% nitriilkummi/polüvinüülkloriidi seguliimiga; See sobib ka akrüülnitriilstüreeni (SAN) kopolümeeridega; See võib moodustada reaktiivsete polüsiloksaanidega läbitungivaid võrgustikke (IPN). Valdav enamus eespool nimetatud segatud liimidest on juba ametlikult toodetud.

Viimastel aastatel on Hiinas üha enam uuritud POM-i karastamist TPU abil. TPU ja POM-i segamine mitte ainult ei paranda TPU kõrge temperatuuritaluvust ja mehaanilisi omadusi, vaid tugevdab ka POM-i märkimisväärselt. Mõned teadlased on näidanud, et tõmbetugevuskatsetes on POM-i sulam ja TPU võrreldes POM-maatriksiga muutunud hapraks murdumisest plastseks murdumiseks. TPU lisamine annab POM-ile ka kuju mälu. POM-i kristalliline piirkond toimib kuju mäluga sulami fikseeritud faasina, samas kui amorfse TPU ja POM-i amorfne piirkond toimib pöörduva faasina. Kui taastumistemperatuur on 165 ℃ ja taastumisaeg on 120 sekundit, ulatub sulami taastumismäär üle 95% ja taastumisefekt on parim.

TPU-d on raske kokku sobitada mittepolaarsete polümeermaterjalidega, nagu polüetüleen, polüpropüleen, etüleenpropüleenkummi, butadieenkummi, isopreenkummi või kummijäätmete pulber, ning seda ei saa kasutada heade omadustega komposiitide tootmiseks. Seetõttu kasutatakse viimaste jaoks sageli pinnatöötlusmeetodeid nagu plasma, koroona, märgkeemia, krunt, leek või reaktiivgaas. Näiteks American Air Products and Chemicals Company on läbi viinud F2/O2 aktiivgaasi pinnatöötluse ülikõrge molekulmassiga polüetüleeni peenele pulbrile molekulmassiga 3–5 miljonit ja lisanud selle polüuretaan-elastomeerile suhtega 10%, mis võib oluliselt parandada selle paindemoodulit, tõmbetugevust ja kulumiskindlust. F2/O2 aktiivgaasi pinnatöötlust saab rakendada ka suunatud piklikele lühikestele kiududele pikkusega 6–35 mm, mis võib parandada komposiitmaterjali jäikust ja rebenemiskindlust.

Millised on TPU rakendusvaldkonnad?

1958. aastal registreeris Goodrich Chemical Company (nüüdseks ümbernimetatud Lubrizol) esmakordselt TPU kaubamärgi Estane. Viimase 40 aasta jooksul on maailmas olnud üle 20 kaubamärgi ja igal kaubamärgil on mitu tootesarja. Praegu on maailma peamised TPU tooraine tootjad: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding jne.

Suurepärase elastomeerina on TPU-l lai valik järeltooteid, mida kasutatakse laialdaselt igapäevastes tarbekaupades, spordikaupades, mänguasjades, dekoratiivmaterjalides ja muudes valdkondades. Allpool on toodud mõned näited.

① Kingamaterjalid

TPU-d kasutatakse peamiselt jalatsimaterjalide valmistamiseks tänu selle suurepärasele elastsusele ja kulumiskindlusele. TPU-d sisaldavad jalatsid on palju mugavamad kanda kui tavalised jalatsid, seega kasutatakse neid laialdasemalt kallimates jalatsites, eriti mõnedes spordijalatsites ja vabaajajalatsites.

② Voolikud

Tänu oma pehmusele, heale tõmbetugevusele, löögikindlusele ning vastupidavusele kõrgetele ja madalatele temperatuuridele kasutatakse TPU voolikuid Hiinas laialdaselt gaasi- ja õlivoolikutena mehaaniliste seadmete, näiteks lennukite, paakide, autode, mootorrataste ja tööpinkide jaoks.

③ Kaabel

TPU pakub rebenemiskindlust, kulumiskindlust ja paindekindlust, kusjuures kõrge ja madala temperatuuritaluvus on kaabli jõudluse võti. Seega kasutatakse Hiina turul keerukate kaablite, näiteks juhtkaablite ja toitekaablite kattematerjalide kaitsmiseks TPU-sid ning nende rakendused muutuvad üha laialdasemaks.

④ Meditsiiniseadmed

TPU on ohutu, stabiilne ja kvaliteetne PVC asendusmaterjal, mis ei sisalda ftalaate ega muid keemilisi kahjulikke aineid ning võib meditsiinilises kateetris või meditsiinikotis verre või muudesse vedelikesse sattuda, põhjustades kõrvaltoimeid. Lisaks saab spetsiaalselt väljatöötatud ekstrusiooni- ja süstimiskvaliteediga TPU-d vähese kohandamisega hõlpsasti kasutada olemasolevates PVC-seadmetes.

⑤ Sõidukid ja muud transpordivahendid

Nailonkanga mõlema poole ekstrudeerimise ja polüuretaanist termoplastilise elastomeeriga katmise teel saab valmistada 3–15 inimest mahutavaid täispuhutavaid lahingrünnakuparvi ja luureparvi, millel on palju parem jõudlus kui vulkaniseeritud kummist täispuhutavatel parvedel; klaaskiuga tugevdatud polüuretaanist termoplastilist elastomeeri saab kasutada keredetailide, näiteks auto mõlemal küljel olevate vormitud osade, uksekatete, kaitseraudade, hõõrdumisvastaste ribade ja võrede valmistamiseks.