Що таке термопластичний поліуретановий еластомер?
Поліуретановий еластомер – це різновид поліуретанових синтетичних матеріалів (інші різновиди включають поліуретанову піну, поліуретановий клей, поліуретанове покриття та поліуретанове волокно), а термопластичний поліуретановий еластомер – один із трьох типів поліуретанового еластомеру. Його зазвичай називають ТПУ (два інші основні типи поліуретанових еластомерів – це литі поліуретанові еластомери, скорочено CPU, та змішані поліуретанові еластомери, скорочено MPU).
ТПУ – це різновид поліуретанового еластомеру, який можна пластифікувати нагріванням та розчиняти розчинником. Порівняно з CPU та MPU, ТПУ має мало або взагалі не має хімічних зшивок у своїй хімічній структурі. Його молекулярний ланцюг в основному лінійний, але є певна кількість фізичних зшивок. Це термопластичний поліуретановий еластомер, який має дуже характерну структуру.
Структура та класифікація ТПУ
Термопластичний поліуретановий еластомер – це лінійний блоковий полімер (AB). А являє собою полімерний поліол (естер або поліефір, молекулярна маса 1000~6000) з високою молекулярною масою, який називається довгим ланцюгом; B являє собою діол, що містить 2-12 атомів вуглецю з прямим ланцюгом, який називається коротким ланцюгом.
У структурі термопластичного поліуретанового еластомеру сегмент А називається м'яким сегментом, який має характеристики гнучкості та м'якості, що надає ТПУ розтяжності; уретановий ланцюг, що утворюється в результаті реакції між сегментом В та ізоціанатом, називається твердим сегментом, який має як жорсткі, так і тверді властивості. Регулюючи співвідношення сегментів А та В, виготовляються вироби ТПУ з різними фізичними та механічними властивостями.
За структурою м'яких сегментів їх можна розділити на поліефірні, поліефірні та бутадієнові, які відповідно містять ефірну, ефірну або бутенову групи. За структурою твердих сегментів їх можна розділити на уретанові та уретаново-сечовинні, які відповідно отримують з етиленглікольних або діамінових подовжувачів ланцюга. Загальна класифікація полягає в поділенні на поліефірні та поліефірні типи.
Яка сировина використовується для синтезу ТПУ?
(1) Полімерний діол
Визначальну роль у фізичних та хімічних властивостях ТПУ відіграє макромолекулярний діол з молекулярною масою від 500 до 4000 та біфункціональними групами, вміст яких в еластомері ТПУ становить від 50% до 80%.
Полімерний діол, придатний для еластомеру TPU, можна розділити на поліестер та поліестер: поліестер включає політетраметиленгліколь адипінової кислоти (PBA), ε PCL, PHC; поліестери включають поліоксипропіленгліколь (PPG), тетрагідрофуранполіетергліколь (PTMG) тощо.
(2) Діізоціанат
Молекулярна маса невелика, але функція видатна, оскільки вона не тільки з'єднує м'який та твердий сегменти, але й надає ТПУ різноманітним хорошим фізичним та механічним властивостям. Діізоціанати, що застосовуються для ТПУ, це: метилендифенілдіізоціанат (MDI), метиленбіс(-4-циклогексилдіізоціанат) (HMDI), п-фенілдіізоціанат (PPDI), 1,5-нафталіндіізоціанат (NDI), п-фенілдиметилдіізоціанат (PXDI) тощо.
(3) Подовжувач ланцюга
Подовжувач ланцюга з молекулярною масою 100~350, що належить до низькомолекулярних діолів, має малу молекулярну масу, відкриту структуру ланцюга та відсутність замісників, що сприяє отриманню високої твердості та високої скалярної маси ТПУ. Подовжувачі ланцюга, придатні для ТПУ, включають 1,4-бутандіол (BDO), 1,4-біс(2-гідроксіетокси)бензол (HQEE), 1,4-циклогександиметанол (CHDM), п-фенілдиметилгліколь (PXG) тощо.
Модифікація застосування ТПУ як зміцнювального агента
Для зниження собівартості продукції та отримання додаткових експлуатаційних характеристик, поліуретанові термопластичні еластомери можуть бути використані як поширені зміцнювальні агенти для зміцнення різних термопластичних та модифікованих гумових матеріалів.
Завдяки високій полярності, поліуретан може бути сумісним з полярними смолами або каучуками, такими як хлорований поліетилен (CPE), які можна використовувати для виготовлення медичних виробів; Змішування з ABS може замінити інженерні термопласти; При використанні в поєднанні з полікарбонатом (PC) він має такі властивості, як стійкість до олії, палива та ударостійкість, і може використовуватися для виготовлення кузовів автомобілів; При поєднанні з поліестером його міцність може бути покращена; Крім того, він може бути добре сумісний з ПВХ, поліоксиметиленом або ПВДХ; Поліефірний поліуретан може бути добре сумісний з 15% нітрильного каучуку або 40% сумішшю нітрильного каучуку/ПВХ; Поліефірний поліуретан також може бути добре сумісний з 40% сумішшю нітрильного каучуку/полівінілхлориду; Він також може бути сумісний з кополімерами акрилонітрилстиролу (SAN); Він може утворювати взаємопроникні мережеві (IPN) структури з реакційноздатними полісилоксанами. Переважна більшість вищезгаданих змішаних клеїв вже офіційно вироблена.
В останні роки в Китаї все частіше проводяться дослідження зміцнення POM за допомогою TPU. Змішування TPU та POM не тільки покращує стійкість до високих температур та механічні властивості TPU, але й значно підвищує зміцнення POM. Деякі дослідники показали, що в випробуваннях на розтяг, порівняно з матрицею POM, сплав POM з TPU перейшов від крихкого руйнування до в'язкого руйнування. Додавання TPU також надає POM характеристикам пам'яті форми. Кристалічна область POM служить фіксованою фазою сплаву з пам'яттю форми, тоді як аморфна область аморфного TPU та POM служить оборотною фазою. Коли температура відновлення становить 165 ℃, а час відновлення - 120 секунд, коефіцієнт відновлення сплаву сягає понад 95%, а ефект відновлення є найкращим.
ТПУ важко сумісний з неполярними полімерними матеріалами, такими як поліетилен, поліпропілен, етиленпропіленовий каучук, бутадієновий каучук, ізопреновий каучук або порошок відходів гуми, і не може бути використаний для виробництва композитів з хорошими характеристиками. Тому для останнього часто використовуються методи обробки поверхні, такі як плазма, коронний розряд, мокра хімія, ґрунтовка, полум'я або реактивний газ. Наприклад, американська компанія Air Products and Chemicals провела обробку поверхні активним газом F2/O2 на дрібному порошку поліетилену надвисокої молекулярної маси з молекулярною масою 3-5 мільйонів та додала його до поліуретанового еластомеру у співвідношенні 10%, що може значно покращити його модуль згину, міцність на розтяг та зносостійкість. Обробка поверхні активним газом F2/O2 також може бути застосована до спрямовано витягнутих коротких волокон довжиною 6-35 мм, що може покращити жорсткість та міцність на розрив композитного матеріалу.
Які сфери застосування ТПУ?
У 1958 році хімічна компанія Goodrich (тепер перейменована на Lubrizol) вперше зареєструвала бренд TPU Estane. За останні 40 років у світі існувало понад 20 торгових марок, і кожна марка має кілька серій продукції. Наразі основними виробниками сировини для TPU у світі є: BASF, Covestro, Lubrizol, Huntsman Corporation, McKinsey, Golding тощо.
Як чудовий еластомер, ТПУ має широкий спектр продуктів, які широко використовуються у виробництві товарів щоденного вжитку, спортивних товарів, іграшок, декоративних матеріалів та інших галузей. Нижче наведено кілька прикладів.
① Матеріали взуття
ТПУ в основному використовується для виготовлення взуття завдяки своїй чудовій еластичності та зносостійкості. Взуттєві вироби, що містять ТПУ, набагато зручніші в носінні, ніж звичайне взуття, тому вони ширше використовуються у високоякісному взутті, особливо в деяких видах спортивного та повсякденного взуття.
② Шланги
Завдяки своїй м'якості, гарній міцності на розрив, ударній в'язкості та стійкості до високих і низьких температур, шланги з ТПУ широко використовуються в Китаї як газові та нафтові шланги для механічного обладнання, такого як літаки, танки, автомобілі, мотоцикли та верстати.
③ Кабель
ТПУ забезпечує стійкість до розривів, зносостійкість та характеристики вигину, причому стійкість до високих та низьких температур є ключем до експлуатаційних характеристик кабелю. Тому на китайському ринку сучасні кабелі, такі як кабелі керування та силові кабелі, використовують ТПУ для захисту покривних матеріалів складних конструкцій кабелів, і їх застосування стає все більш поширеним.
④ Медичні вироби
ТПУ – це безпечний, стабільний та високоякісний замінник ПВХ, який не містить фталатів та інших хімічно шкідливих речовин і може потрапляти в кров або інші рідини в медичному катетері чи медичному пакеті, викликаючи побічні ефекти. Крім того, спеціально розроблений ТПУ екструзійного та інжекційного класу можна легко використовувати з невеликим налагодженням у існуючому ПВХ обладнанні.
⑤ Транспортні засоби та інші транспортні засоби
Шляхом екструдування та покриття обох боків нейлонової тканини поліуретановим термопластичним еластомером можна виготовляти надувні бойові плоти та розвідувальні плоти, що перевозять від 3 до 15 осіб, з набагато кращими характеристиками, ніж надувні плоти з вулканізованої гуми; поліуретановий термопластичний еластомер, армований скловолокном, можна використовувати для виготовлення компонентів кузова, таких як литі деталі з обох боків самого автомобіля, обшивка дверей, бампери, антифрикційні накладки та решітки радіатора.
Час публікації: 10 січня 2021 р.